ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΔΟΚΙΜΗΣ ΠΛΑΓΙΑΣ ΕΠΑΝΑΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΗΣ ΚΡΟΥΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΣΥΝΑΦΕΙΑΣ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΑΠΟΞΕΣΗΣ ΛΕΠΤΩΝ ΣΚΛΗΡΩΝ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ ΕΠΙ ΚΟΠΤΙΚΩΝ ΠΛΑΚΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ ΑΝΤΩΝΙΟΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ ΑΣΗΜΑΚΟΠΟΥΛΟΣ ΔΙΠΛ. ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ (Α.Π.Θ.) ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2009

2 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣ ΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΑΝΤΩΝΙΟΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΥ ΑΣΗΜΑΚΟΠΟΥΛΟΣ ΔΙΠΛ. ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΤΟΥ Α.Π.Θ. από τη Θεσσαλονίκη ΕΞΕΛΙΞΗ ΔΟΚΙΜΗΣ ΠΛΑΓΙΑΣ ΕΠΑΝΑΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΗΣ ΚΡΟΥΣΗΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΩΝ ΣΥΝΑΦΕΙΑΣ ΚΑΙ ΜΙΚΡΟΑΠΟΞΕΣΗΣ ΛΕΠΤΩΝ ΣΚΛΗΡΩΝ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ ΕΠΙ ΚΟΠΤΙΚΩΝ ΠΛΑΚΙΔΙΩΝ ΚΑΙ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ Διδακτορική διατριβή που υποβλήθηκε στο τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, για την απόκτηση του Διδακτορικού Διπλώματος (Αρ. ΔΔ 24/ΕΕΔΜ) Μέλη της τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής: 1. Κ.-Δ. Μπουζάκης, Καθηγητής, Επιβλέπων της Διατριβής 2. Κ. Ευσταθίου, Αν. Καθηγητής 3. Ρ. Παρασκευοπούλου, Λέκτορας Λοιπά μέλη της Επταμελούς Εξεταστικής Επιτροπής: 4. Σ. Μήτση, Καθηγήτρια 5. Ε. Ιακώβου, Καθηγητής 6. Σ. Σκολιανός, Καθηγητής και 7. Ν. Μιχαηλίδης, Επ. Καθηγητής Ημερομηνία προφορικής εξέτασης: 11 Μαΐου 2009

3 Αντώνιος Βασιλείου Ασημακόπουλος ΑΠΘ Εξέλιξη δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης για την αξιολόγηση μηχανισμών συνάφειας και μικροαπόξεσης λεπτών σκληρών επικαλύψεων επί κοπτικών πλακιδίων και στοιχείων μηχανών «Η έγκριση της παρούσης Διδακτορικής Διατριβής από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέως» (Ν. 5343/1932, άρθρο 202, παρ. 2)

4 Πρόλογος Η εκπόνηση της παρούσας διατριβής έγινε στα πλαίσια της εργασίας μου ως Επιστημονικού Συνεργάτη στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Με το πέρας της παρούσας εργασίας θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον καθηγητή μου και διευθυντή του Εργαστηρίου Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας κ. Κ.-Δ. Μπουζάκη για την εμπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπο μου προκειμένου να εκπονήσω την παρούσα διατριβή. Χωρίς τη συνεχή αρωγή και την πολύτιμη καθοδήγησή του, η ολοκλήρωση της δεν θα ήταν δυνατή. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Αν. Καθ. Κ. Ευστάθιου και την Λεκτ. Ρ. Παρασκευοπούλου που συνεπικούρησαν στην εργασία αυτή ως μέλη της τριμελούς επιτροπής καθώς και τη Λεκτ. Ε. Παυλίδου του τμήματος Φυσικής που ήταν πρόθυμη να συνδράμει όποτε χρειάστηκα τη βοήθεια της σε επίπεδο ηλεκτρονικής μικροσκοπίας. Φυσικά, θα ήταν μεγάλη παράληψη να αμελήσω να ευχαριστήσω όλους τους φίλους και συναδέλφους μηχανικούς με τους οποίους συνεργάστηκα καθώς και τους φοιτητές των οποίων τη διπλωματική εργασία επέβλεψα όλη αυτή την περίοδο στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας του ΑΠΘ για την αγαστή συνεργασία τους και την πολύ φιλική τους αντιμετώπιση. Ιδιαίτερα θα ήθελα να ευχαριστήσω τους Δρ. Μηχ. Μηχ. Σ. Χατζηγιάννη και Δρ. Μηχ. Μηχ. Γ. Σκορδάρη για τη σημαντική τους συμβολή κατά τα πρώτα στάδια της διατριβής μου και για την εν γένει βοήθεια τους. Τέλος, θα ήθελα να εκφράσω την αγάπη μου μαζί με τις ευχαριστίες μου στον πατέρα μου Βασίλη, τη μητέρα μου Άννα για την αμέριστη συμπαράστασή τους όλα αυτά τα χρόνια. Ειδικά στη σύντροφο στη ζωή μου Ναυσικά έκτος όλων των παραπάνω οφείλω ένα μεγάλο ευχαριστώ για τη βοήθεια που προσέφερε κατά τη συγγραφή της διατριβής. Θεσσαλονίκη, 11 Μαΐου 2009 Αντώνιος Βασιλείου Ασημακόπουλος

5 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ ΚΑΙ ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΩΝ...i 1. Εισαγωγή Στάθμη γνώσεων Μέθοδοι επιφανειακής επιβελτίωσης δοκιμίων Λεπτές σκληρές επικαλύψεις Μέθοδοι παραγωγής λεπτών σκληρών επικαλύψεων με Φυσική Εναπόθεση Ατμών (Physical Vapor Deposition PVD) Επικαλύψεις άνθρακα Επικαλύψεις νιτριδίων φυσικής εναπόθεσης ατμών Επικαλύψεις θερμικού ψεκασμού Επικαλύψεις που κατασκευάζονται με τη μέθοδο atmospheric plasma spray (ψεκασμός πλάσματος σε ατμοσφαιρικές συνθήκες) Επικαλύψεις που κατασκευάζονται με τη μέθοδο Ψεκασμού Φλόγας Υψηλής Ταχύτητας (High Velocity Oxy/Fuel-HVOF) Μορφές ατελειών που μπορεί να παρουσιαστούν στην δομή των θερμικών επικαλύψεων Μηχανισμοί φθοράς Κοπτικά εργαλεία από σκληρομέταλλο Έδρανα κυλίσεως και ολισθήσεως Δοκιμασίες προσδιορισμού ιδιοτήτων των επικαλύψεων Δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης Δοκιμή εισβολής με κωνικό εισβολέα Rockwell C Δοκιμή χάραξης με κωνικό εισβολέα Rockwell C Σκοπός της εργασίας Πειραματικές διατάξεις Δοκιμαστήριο κάθετης και πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Συσκευή νανοσκληρομέτρησης Συσκευή κρατεροποίησης για τον προσδιορισμό του πάχους επικαλύψεων Συσκευή επιφανειακής διείσδυσης με κωνικούς εισβολείς από διαμάντι Συσκευή χάραξης...30

6 4.6. Συσκευή τραχυμέτρησης Συσκευή τρισδιάστατης σάρωσης επιφανειών Μικροσκόπια Μηχανισμοί έναρξης και διάδοσης της αστοχίας επικαλύψεων κατά τη δοκιμασία πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε διάφορες γωνίες κρούσης Δοκιμή κάθετης και πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε επικαλυμμένες επιφάνειες Πεδίο τάσεων που αναπτύσσεται σε επικαλύψεις με διαφορετική συναφειακή αντοχή κατά την δοκιμή πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Έναρξη αστοχίας της επικάλυψης και διάδοση της αφαίρεσης της κατά τη δοκιμή της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Έναρξη αστοχίας συνοχής στην επικάλυψη κατά τη δοκιμή της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Χαρακτηρισμός της συνάφειας της επικάλυψης με την βοήθεια της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Ποσοτικοποίηση της συνάφειας επικαλύψεων μέσω της δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης με τη χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων Χαρακτηριστικά υλικών επικαλύψεων και υποστρωμάτων Πειραματικές δοκιμές χάραξης και πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Καθορισμός του πεδίου τάσεων κατά τη διάρκεια της πλάγιας κρούσης στα επικαλυμμένα δοκίμια Ποσοτικοποίηση της συνάφειας στα επικαλυμμένα δοκίμια Συσχετισμός του λόγου στιβαρότητας επαφής με την συμπεριφορά στην κοπή Προσδιορισμός της αντοχής σε μικροαπόξεση PVD επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε χαμηλά ως προς την κόπωση φορτία κρούσης Μικροαπόξεση στη δοκιμασία κάθετης κρούσης Συνθήκες της επαφής κατά τη διάρκεια της πλάγιας πρόσκρουσης Διερεύνηση της φθοράς της επικάλυψης λόγω μικροαπόξεσης μέσω της δοκιμασίας πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης χωρίς λίπανση Διερεύνηση της φθοράς της επικάλυψης λόγω μικροαπόξεσης μέσω της δοκιμασίας πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης με λίπανση

7 8. Προσδιορισμός της δυναμικής και συναφειακής αντοχής PVD επικαλύψεων σε δακτυλίους βελονοειδών εδράνων κύλισης μέσω της δοκιμασίας πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Πειραματικές διαδικασίες και υλικά των δοκιμίων που εξεταστήκαν Απόδοση σε κόπωση της επικάλυψης των δακτυλίων εδράνων Ποσοτικοποίηση της συνάφειας της επικάλυψης μέσω της δόκιμης πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Διερεύνηση της δυναμικής συμπεριφοράς και του ρυθμού φθοράς επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού με τις δοκιμές κάθετης και πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Πάχος τραχύτητα και σκληρότητα των επικαλυμμένων δοκιμίων Nανοσκληρότητα και μηχανικές ιδιότητες των επικαλύψεων Δοκιμασίες καθετής και πλάγιας κρούσης και η προσομοίωση τους με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων Αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των δοκιμασιών κάθετης και πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης μέσω υπολογισμών των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των αποτυπωμάτων τους Σύνοψη και Συμπεράσματα Βιβλιογραφία Εκτενής περίληψη στα Αγγλικά...109

8

9 ΠΙΝΑΚΑΣ ΣΥΜΒΟΛΩΝ ΚΑΙ ΣΥΝΤΟΜΟΓΡΑΦΙΩΝ Σύμβολο Περιγραφή συμβόλου Μονάδα PVD : Φυσική Εναπόθεση Ατμών CVD : Χημική Εναπόθεση Ατμών FEM : Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων DLC : Επικαλύψεις άνθρακα τύπου διαμαντιού HV : Σκληρότητα κατά Vickers HRC : Σκληρότητα Rockwell C p : Πίεση GPa t : Πάχος επικάλυψης μm θ : Γωνία κλίσης πλάγιας κρούσης 0 u : Μετατόπιση mm E : Μέτρο ελαστικότητας Gpa ν : Λόγος Poisson - F max : Μέγιστη δύναμη κρούσης dan F στιγμ. : Στιγμιαία εφαρμοζόμενη δύναμη μεταξύ εισβολέα-δοκιμίου dan x : Απόσταση από κέντρου κύκλου επαφής mm p max : Μέγιστη πίεση GPa R σφαίρας : Ακτίνα εισβολέα mm S y : Όριο διαρροής GPa S max : Τάση θραύσης GPa S eqv : Ισοδύναμη τάση κατά von Mises GPa R a : Μέσο ύψος τραχύτητας μm R t : Μέγιστο ύψος τραχύτητας μm R SM : Μέση οριζόντια απόσταση διαδοχικών κοιλάδων τραχύτητας μm -i-

10 R m : Τάση θραύσης σε εφελκυσμό GPa μ : Συντελεστής τριβής - z : Διεύθυνση κάθετη στο επίπεδο επαφής FR : Λόγος αστοχίας % CA : Επιφάνεια κρατήρα mm 2 FA : Επιφάνεια αστοχίας κρατήρα mm 2 CIA : Συνάφεια Επικάλυψης σε Κρούση % CSR : Λόγος στιβαρότητας επαφής cs t : Εφαπτομενική στιβαρότητα επαφής Ν/mm 3 cs n : Κάθετη στιβαρότητα επαφής Ν/mm 3 VB : Φθορά επιφάνειας ελευθερίας mm NC : Aριθμός κοπών v c : Ταχύτητα κοπής hcu : Απαραμόρφωτο πάχος αποβλίττου mm a z : Αξονικό βάθος κοπής mm a xy : Aκτινικό βάθος κοπής mm α : Γωνία ελευθερίας κ : Γωνία τοποθέτησης γ : Γωνία αποβλίττου ο ο ο -ii-

11 1. Εισαγωγή 1. Εισαγωγή Η ανάπτυξη και εφαρμογή νέων επιφανειακών επικαλύψεων υψηλής τεχνολογίας παρουσιάζει ευρύ οικονομικό και βιομηχανικό ενδιαφέρον. Αυτή η σχετικά νέα τεχνολογία έχει επηρεάσει θετικά πολλούς και διαφορετικούς τομείς της βιομηχανίας και κατ επέκταση της ευρύτερης οικονομίας και κοινωνίας. Η χρήση αυτών των υλικών, τα οποία έχουν ιδιαίτερα χαρακτηριστικά όπως είναι η εξαιρετικά υψηλή σκληρότητα τους, η άριστη τριβολογική τους συμπεριφορά, η αντίσταση σε φθορά και οξείδωση, οι εξαιρετικές οπτικές ιδιότητες, αλλά και η βιο-συμβατότητα που παρουσιάζουν, έχουν αναβαθμίσει με τον καλύτερο δυνατό τρόπο την απόδοση, λειτουργικότητα και διάρκεια ζωής των τεμαχίων (μηχανολογικά και άλλα προϊόντα) όπου εφαρμόζονται. Τέτοιου είδους λεπτές επιφανειακές επικαλύψεις εφαρμόζονται με επιτυχία σε πάρα πολλά στοιχεία μηχανών και εξαρτήματα όπως είναι τα κοπτικά εργαλεία /1,2/, οι οδοντωτοί τροχοί /3/, έδρανα κυλίσεως ή ολισθήσεως /4/ κ.α. Οι ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις εκ μέρους της βιομηχανίας για παραγωγή προϊόντων υψηλής ακρίβειας και απόδοσης, έχει εντατικοποιήσει τις προσπάθειες εκ μέρους των βιομηχανιών παραγωγής επικαλύψεων αλλά και των ερευνητικών οργανισμών για ανάπτυξη νέων τύπων επιφανειακών επικαλύψεων. Η βιομηχανική και τεχνολογική ανάπτυξη έχει επικεντρωθεί στη βελτιστοποίηση των διαδικασιών εναπόθεσης, της εισαγωγής νέων υλικών και τη διεύρυνση του πεδίου εφαρμογής τους. Η πιο προσφιλής μέθοδος εναπόθεσης της επικάλυψης πάνω σε διάφορα υλικά αποτελεί η μέθόδος της Φυσικής Εναπόθεσης Ατμών (PVD), όπου το πάχος των επικαλύψεων περιορίζεται σε μερικά μικρόμετρα /1,5,6,7,8/. Η αυξημένη αντίσταση σε φθορά απόξεσης, η υψηλή αντίσταση σε οξείδωση, η μεγάλη σκληρότητα καθώς και η χαμηλή θερμική αγωγιμότητα αποτελούν μερικά από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των PVD επικαλύψεων. Επίσης η σχετικά χαμηλή θερμοκρασία εναπόθεσης (160 ο C-500 o C) παρέχει τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν ως υποστρώματα, υλικά που είναι ευάλωτα σε υψηλές θερμοκρασίες. Μια άλλη αρκετά διαδεδομένη μέθοδος είναι αυτή της εναπόθεσης με ψεκασμό (thermal spray), όπου τα πάχη που επιτυγχάνονται είναι από μερικές δεκάδες μικρόμετρα (μm) εώς και λίγα χιλιοστά (mm). Η μέθοδος αυτή στηρίζεται στην ταχεία τήξη του υλικού της επικάλυψης, που μπορεί να είναι υπό μορφή σκονής ή ηλεκτροδίου (plasma spray or flame spray method), ενώ στη συνέχεια μέσω αδρανών αερίων επιταχύνεται και ψεκάζεται στο βασικό υλικό, δημιουργώντας έτσι ένα λεπτό στρώμα. Ανάλογα με τον τρόπο και την μέθοδο που γίνεται η εναπόθεση αλλά και τις συνθήκες που επικρατούν κατά τη διάρκεια του ψεκασμού της επικάλυψης, καθορίζονται η δομή και οι -1-

12 1. Εισαγωγή ιδιότητές της όπως επίσης και το πάχος το οποίο θα αναπτυχθεί στην επιφάνεια του βασικού υλικού. Μερικά από τα προβλήματα που καλούνται να αντιμετωπίσουν οι βιομηχανίες που επικαλύπτουν τα προϊόντα τους με διάφορους τύπους επικαλύψεων, αλλά και οι εταιρείες που παράγουν επικαλύψεις, είναι η ύπαρξη ενός ολοκληρωμένου μηχανισμού αξιολόγησης και χαρακτηρισμού της ποιότητας και των ιδιοτήτων των επικαλύψεων. Η εξακρίβωση των ιδιοτήτων αυτών είναι μεγάλης σπουδαιότητας για τη σωστή επιλογή επικάλυψης ανάλογα με την εφαρμογή. Προκειμένου να διαπιστωθούν οι ιδιότητες αυτές χρησιμοποιούνται πειραματικές διατάξεις όπως η δοκιμασία νανοσκληρόμετρησης, η δοκιμασία εισβολής, η δοκιμασία χάραξης, η δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης κ.α. Η δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης προτάθηκε αρχικά από τον Knotek /9/ και στην συνέχεια εξελίχθηκε σε μηχάνημα από το Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας (ΕΕΔΜ) του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ) /10,11,12,13,14,15/. Μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης είναι δυνατή η διαπίστωση της δυναμικής αντοχής επικαλύψεων /10,11,12,13,14,15/, ενώ νεότερες έρευνες κατέστησαν δυνατή την διαπίστωση φαινομένων αστοχίας της συνάφειας επικάλυψης-υποστρώματος /12,13,16,17,18/, όπως επίσης και φαινόμενων ερπυσμού /19,20,21,22/. H εξέταση επικαλύψεων με την δοκιμασία της επαναλαμβανόμενης κρούσης περιοριζόταν έως τώρα στην διαπίστωση της έναρξης της αστοχίας και στην αξιολόγηση του ρυθμού διάδοσής της /23,24,25/. Πρέπει να σημειωθεί ακόμα ότι στην βιβλιογραφία δεν υπάρχει απόλυτη ταύτιση των απόψεων σχετικά με τον μηχανισμό έναρξης της αστοχίας /26,27,28/, ενώ η πιθανότητα η έναρξη της αστοχίας να προέρχεται από μηχανισμούς φθοράς απόξεσης δεν έχει μελετηθεί επαρκώς. Σε προηγούμενες μελέτες /29/, το δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης εφαρμόστηκε ως δοκιμή της συνάφειας και της συνοχής της επικάλυψης σε δοκίμια επίπεδης γεωμετρίας που καταπονούνταν από κάθετες κρούσεις, όπου η συναφειακή αντοχή στην διεπιφάνεια επικάλυψης-υποστρώματος περιγράφηκε μέσω υπολογισμών με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιώντας κατάλληλα στοιχεία επαφής. Στην περίπτωση ασθενούς συνάφειας της επικάλυψης, η αστοχία της εμφανίστηκε σε διακριτές περιοχές εντός της περιφέρειας του αποτυπώματος. Εν αντιθέσει, για την περίπτωση αυξημένης συνάφειας, η πρώτη αστοχία της επικάλυψης εμφανίστηκε στην εγγύτερη περιοχή του κρατήρα του αποτυπώματος. Οι παραπάνω παραλλαγές της φθοράς της επικάλυψης προκαλούμενες από τα χαρακτηριστικά συνάφειας της επικάλυψης ήταν δυνατόν να διευκρινιστούν μέσω υπολογισμών από την προσομοίωση της πειραματικής διαδικασίας με την Μέθοδο Πεπερασμένων Στοιχείων (FEM). Σύμφωνα με τους υπολογισμούς αυτούς, η θέση της μέγιστης εμφανιζόμενης τάσης στο -2-

13 1. Εισαγωγή ερευνόμενο σύστημα επικάλυψης υποστρώματος μετατοπίστηκε στην περίπτωση ασθενούς συνάφειας από την περιφέρεια του κρατήρα προς το κέντρο του /29/. Τα αποτελέσματα αυτά παρείχαν το έναυσμα για περαιτέρω επιρροή της κατανομής τάσεων στην επικάλυψη που εμφανίζεται κατά τη δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης, εφαρμόζοντας στη διάρκειά της ταυτόχρονα κάθετη και εφαπτομενική φόρτιση. Με αυτόν τον τρόπο, το αποτέλεσμα της ασθενούς συνάφειας στον τρόπο αστοχίας της επικάλυψης λόγω κρούσης θα ήταν πιο διακριτό. Έτσι δημιουργήθηκε στα πλαίσια της παρούσας έρευνας η δοκιμασία της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης ώστε να γίνει δυνατή μια ουσιαστική αποτίμηση της συνεκτικής και ταυτόχρονα της συναφειακής αντοχής της επικάλυψης. Η παραπάνω πειραματική μέθοδος συνοδεύεται από ένα πρόσφατα εξελιγμένο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων (FEM) που προβλέπει την αστοχία της επικάλυψης, στο οποίο λαμβάνονται υπόψη οι μηχανικές ιδιότητες των υπαρχόντων υλικών και η δύναμη συνάφειας στη διεπιφάνεια επικάλυψης-υποστρώματος. Μέσω αυτού, μπορούν να υπολογιστούν οι κρίσιμες τάσεις στην επικάλυψη και να ποσοτικοποιηθεί η στιβαρότητα της σύνδεσης μεταξύ επικάλυψης και υποστρώματος. Παράλληλα, με την εκλογή κατάλληλων πειραματικών συνθηκών μπορεί να γίνει δυνατή η συνολική αποτίμηση της συμπεριφοράς της επικάλυψης σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας, με ή χωρίς λίπανση και με την σύγχρονη ή μη συνεισφορά της κόπωσης στη φθορά της επικάλυψης. Η δοκιμασία της επαναλαμβανόμενης κρούσης, κάθετης ή πλάγιας, εφαρμόζεται κυρίως σε επικαλυμμένα δοκίμια επίπεδης γεωμετρίας, όπως σε ένθετα κοπτικά πλακίδα και σε επικαλυμμένους δίσκους. Εξαιρετικής σημασίας είναι επίσης η δυνατότητα πραγματοποίησης της πειραματικής διαδικασίας απευθείας σε δοκίμια συνθετότερης γεωμετρίας μέσω κατάλληλων ιδιοσυσκευών συγκράτησης, όπως σε δακτυλίους εδράνων κυλίσεως και ολισθήσεως /30,31/, σε εκκεντροφόρους άξονες ΜΕΚ, σε βαλβίδες έγχυσης καυσίμου κ.α. Η απευθείας εξέταση των επικαλύψεων που έχουν εναποτεθεί στις κυλινδρικές επιφάνειες των δακτυλίων εδράνων είναι πρωτοποριακή, καθώς η διαδικασία εναπόθεσης επηρεάζει σημαντικά τις προκύπτουσες μηχανικές ιδιότητες της επικάλυψης και τη συνάφεια της με το υπόστρωμα. Για τους λόγους αυτούς κρίθηκε αναγκαία η διεξαγωγή έρευνας στην περιοχή αυτή, προκειμένου να αποσαφηνιστούν πλήρως οι αιτίες αστοχίας της επικάλυψης σε δοκίμια σύνθετης γεωμετρίας. Στις μέρες μας, οι επικαλύψεις Plasma και HVOF παρέχουν σχετικά φθηνές λύσεις σε μια πληθώρα κατασκευαστικών προβλημάτων που απασχολούν τη βιομηχανία. Τέτοιες επικαλύψεις χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου μεταξύ άλλων, χρειάζεται να έχουν δυσθραυστότητα, αντοχή και αντίσταση σε μηχανική και χημική διάβρωση. Ο ακριβής -3-

14 1. Εισαγωγή καθορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων και της αντοχής σε κόπωση των μεταλλικών επικαλύψεων, οι οποίες υπόκεινται σε μεταβλητά δυναμικά φορτία είναι ένα σημαντικό θέμα για πολλά μηχανολογικά προβλήματα. Σε μερικές περιπτώσεις, όπου το πάχος, η τραχύτητα η δομή και το πορώδες είναι παράγοντες που επηρεάζουν τις ιδιότητες αυτές, πρέπει να εξελιχθούν νέες προσεγγίσεις για τον καθορισμό της απόδοσης των επικαλύψεων. Μέσω των δοκιμών κάθετης και πλάγιας κρούσης και της προσομοίωσης των πειραματικών διαδικασιών με τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων μπορούν να εξαχθούν σημαντικά συμπεράσματα σχετικά με την αντοχή των εξεταζόμενων επικαλύψεων και τη συμπεριφορά τους σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. -4-

15 2. Στάθμη γνώσεων 2. Στάθμη γνώσεων 2.1. Μέθοδοι επιφανειακής επιβελτίωσης δοκιμίων Οι ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις των μηχανολογικών εξαρτημάτων και κοπτικών εργαλείων για όσο το δυνατό καλύτερη συμπεριφορά και μεγαλύτερη αντοχή της καταπονούμενης επιφάνειας, έχουν στρέψει εδώ και πολλά χρόνια το επιστημονικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον στη βελτιστοποίηση και ανάπτυξη νέων μεθόδων επιφανειακής επιβελτίωσης των εξαρτημάτων αυτών. Στο σχήμα 2.1 φαίνονται οι κύριες μέθοδοι επιφανειακής επιβελτίωσης διαφόρων μηχανολογικών εξαρτημάτων και κυρίως κοπτικών εργαλείων που χρησιμοποιούνται σήμερα. Το πάχος της επικάλυψης είναι της τάξεως μερικών μικρομέτρων, συνήθως 3 ως 8 μm (για PVD επικαλύψεις). Έχει πειραματικά αποδειχθεί ότι μεγαλύτερα πάχη δεν συνιστούν πάντοτε καλύτερα αποτελέσματα αναφορικά με τη φθορά της επικάλυψης /11,14/. Οι εσωτερικές τάσεις που αναπτύσσονται στην επικάλυψη επηρεάζονται από την προοδευτική αύξηση του πάχους της. Επιπλέον λόγω του αυξημένου κόστους της διαδικασίας εναπόθεσης των επικαλύψεων είναι οικονομικά ασύμφορη η χρησιμοποίηση μεγάλων παχών. Δύο από τις τεχνολογίες παραγωγής επικαλύψεων σε κοπτικά εργαλεία και στοιχεία μηχανών, που χρησιμοποιούνται ευρύτατα σήμερα, είναι αυτές της Φυσικής και Χημικής Εναπόθεσης Ατμών (PVD και CVD αντίστοιχα). Η βασικότερη διαφορά των δύο μεθόδων προκύπτει από τις χρησιμοποιούμενες θερμοκρασίες που απαιτούνται για την κατασκευή τους. Η μέθοδος PVD είναι μια διαδικασία χαμηλών σχετικά θερμοκρασιών (140 0 έως C) ενώ η μέθοδος CVD διεξάγεται σε υψηλότερες θερμοκρασίες (500 0 έως C). Το γεγονός αυτό έχει ως συνέπεια την ευρύτερη εφαρμοσιμότητα της πρώτης μεθόδου σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις υποστρωμάτων, περιορίζοντας τη χρήση της δεύτερης μεθόδου μόνο σε υποστρώματα μεγάλης αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες. Οι επικαλύψεις όμως που παράγονται με τη μέθοδο CVD έχουν γενικά μεγαλύτερη σκληρότητα και αντοχή σε θερμοκρασία. Μια άλλη μέθοδος κατασκευής επικαλύψεων είναι αυτή του θερμικού ψεκασμού (thermal spray). Με τον όρο θερμικός ψεκασμός περιγράφεται ένα σύνολο διεργασιών, κατά τις οποίες μεταλλικά ή κεραμικά σωματίδια που βρίσκονται σε κατάσταση τήξης ή ρευστοποίησης, σε υψηλή θερμοκρασία, εκτοξεύονται και εναποτίθενται με ψεκασμό μέσω ενός πιστολιού σε κατάλληλα προετοιμασμένη επιφάνεια του βασικού υλικού υποστρώματος, με σκοπό την παραγωγή μιας επικάλυψης με προδιαγεγραμμένες ιδιότητες και χαρακτηριστικά /32,33/

16 2. Στάθμη γνώσεων Σχήμα 2.1: Κύριες μεθοδολογίες επιφανειακής επιβελτίωσης κοπτικών εργαλείων /1/. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας θα εξεταστούν οι μηχανικές ιδιότητες, η συνάφεια και η αντοχή σε μικροαπόξεση σε διάφορα υποστρώματα, επικαλύψεων παραγόμενων με τη μέθοδο PVD και με τις μεθόδους atmospheric plasma και HVOF που ανήκουν στην κατηγορία θερμικού ψεκασμού Λεπτές σκληρές επικαλύψεις Μέθοδοι παραγωγής λεπτών σκληρών επικαλύψεων με Φυσική Εναπόθεση Ατμών (Physical Vapor Deposition PVD) Οι μεθοδολογίες εναπόθεσης λεπτών σκληρών επικαλύψεων μέσω της Φυσικής Εναπόθεσης Ατμών, περιγράφονται στο σχήμα 2.2. Η διαδικασία της φυσικής εναπόθεσης ατμών χρησιμοποιεί φυσικές διεργασίες, όπως είναι η εξάτμιση και ο ιονισμός, για τη μεταφορά ενός μεταλλικού συνήθως υλικού από μία πηγή προς το υπό επικάλυψη υπόστρωμα. Αν το υλικό κατά τη διάρκεια της μεταφοράς συμμετέχει σε κάποια χημική αντίδραση, σχηματίζοντας για παράδειγμα κάποιο καρβίδιο, οξείδιο ή νιτρίδιο, τότε η διαδικασία χαρακτηρίζεται ως αντιδραστική (Reactive). Όλες οι PVD διεργασίες επιτυγχάνονται σε συνθήκες κενού (πίεση θαλάμου<10-4 Torr)

17 2. Στάθμη γνώσεων Σχήμα 2.2: (PVD) /1,11/. Μεθοδολογίες σκληρών λεπτών επικαλύψεων Φυσικής Εναπόθεσης Ατμών Οι διάφορες παραλλαγές της μεθόδου είναι οι ακόλουθες: Δημιουργία ατμών μέσω εξάτμισης (Εvaporation). Το υπόστρωμα που πρόκειται να επικαλυφθεί, τοποθετείται σε θάλαμο κενού με ευθεία οπτική επαφή στην πηγή που τηγμένου υλικού. Το τηγμένο υλικό θερμαίνεται είτε από ηλεκτρικό τόξο είτε από θερμική αντίσταση. Η θέρμανση με ηλεκτρικό τόξο είναι καλύτερη στη περίπτωση όπου το υλικό της πηγής έχει υψηλό σημείο τήξης. Όταν πρόκειται να γίνει επικάλυψη καρβιδίων, νιτριδίων ή οξειδίων (Αντιδραστική εξάτμιση, Reactive evaporation), η ενδιάμεση ζώνη όπου διαρρέεται από τους ατμούς, περιέχει μικρή συγκέντρωση από αντιδρών αέριο, συνήθως υδρογονάνθρακες, Ν 2, ΝΗ 3 ή Ο 2. Όταν το ηλεκτρικά διεγερμένο πλάσμα εγκαθίσταται στη περιοχή όπου η αέρια φάση του υπό εξέταση υλικού συναντάει το αντιδρών αέριο τότε πρόκειται για Ενεργοποιημένη Αντιδραστική Εξάτμιση (Αctivated reactive evaporation). Παραλλαγές της μεθόδου δημιουργίας ατμών μέσω εξάτμισης είναι οι παρακάτω: Φυσική εναπόθεση (Ion Plating). Το υπόστρωμα πολώνεται αρνητικά σε σχέση με τη πηγή του προς επικάλυψη υλικού. Αυτό γίνεται συνήθως όταν το πεδίο του πλάσματος γύρω από το υπόστρωμα μπορεί να εμπλουτιστεί με ηλεκτρική σύζευξη. Τα ιονισμένα στοιχεία αντιπροσωπεύουν ένα μικρό κλάσμα της ροής του προς επικάλυψη υλικού. Ενεργοποιημένη εναπόθεση (Reactive Ion Plating). Το αντιδρών μη μεταλλικό αέριο εισάγεται στη μεταλλική ροή του κινούμενου προς το υπόστρωμα υλικού, έτσι ώστε να διαμορφώνονται καρβίδια, νιτρίδια ή οξείδια του προς επικάλυψη υλικού

18 2. Στάθμη γνώσεων Δημιουργία πλάσματος με βομβαρδισμό ιόντων και επενέργεια ηλεκτρομαγνητικών πεδίων (Sputter plating) Πρόκειται για διαδικασία όπου η αέρια μεταφερόμενη φάση του προς επικάλυψη υλικού δημιουργείται μέσω ιονικού βομβαρδισμού του μεταλλικού στόχου ή στόχων. Συνήθως ο βομβαρδισμός ιόντων επιτυγχάνεται δημιουργώντας με διάφορους τρόπους πλάσμα στην επιφάνεια του στόχου, ενώ εναλλακτικά, κανονάκια ιόντων (ion guns) μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν. Σημαντική παράμετρος της διεργασίας αποτελεί η λεγόμενη τάση πόλωσης (bias voltage), η οποία δημιουργεί τη μεταλλική ροή. Η παραπάνω διαδικασία συνήθως υποβοηθάτε με τη χρήση μαγνητικού πεδίου το οποίο κατευθύνει το ιονισμένο τήγμα στην επιφάνεια του στόχου. Παραλλαγές της μεθόδου είναι οι: Φυσική εναπόθεση (Sputter Ionic Plating). Στην περίπτωση αυτή το υπόστρωμα έχει αρνητική ηλεκτρική τάση πόλωσης έτσι ώστε να γίνεται βομβαρδισμός με θετικά ιόντα. Αντιδραστική εναπόθεση (Reactive Sputter Plating). Η αέρια φάση του προς επικάλυψη υλικού συναντάται με το αντιδραστικό αέριο. Για τον καθαρισμό της επιφάνειας του υποστρώματος, συνήθως διεξάγεται μια προεπεξεργασία που ονομάζεται ιονικός καθαρισμός. Στην περίπτωση αυτή πλάσμα από Αργό χρησιμοποιείται στον βομβαρδισμό της επιφάνειας του υποστρώματος με διεγερμένα άτομα Αργού. Αυτά μεταβιβάζουν την ορμή στα άτομα της βομβαρδιζόμενης επιφάνειας απομακρύνοντας τα από αυτήν. Η διεργασία έχει σαν συνέπεια την περιορισμένης έκτασης απομάκρυνση υλικού από την επιφάνεια του υποστρώματος και συνεπώς ενεργεί ως επιφανειακός καθαρισμός Επικαλύψεις άνθρακα O άνθρακας στην φύση υπάρχει σε τέσσερις αλλοτροπικές μορφές, οι οποίες διαφέρουν στους δεσμούς που αναπτύσσονται μεταξύ των ατόμων και στην ατομική δομή, με αποτέλεσμα να έχουν διαφορετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες. Οι τρεις πιο κοινές αλλοτροπικές μορφές του άνθρακα είναι το διαμάντι, ο γραφίτης και ο άμορφος άνθρακας. Το διαμάντι είναι ένα από τα πιο σκληρά γνωστά υλικά, ενώ ο γραφίτης από τα πιο μαλακά. Oι επικαλύψεις άνθρακα τύπου διαμαντιού αποτελούν μία από τις πλέον διαδεδομένες κατηγορίες επικαλύψεων χαρακτηριστικό των οποίων είναι το εύρος των μηχανικών ιδιοτήτων τους. Ο όρος Diamond Like Carbon (DLC) ανάγεται στo 1971 όταν οι Aisenberg και Chabot - 8 -

19 2. Στάθμη γνώσεων τον δημιούργησαν για να περιγράψουν επικαλύψεις άνθρακα /34/. Το 1985 δημιουργήθηκε μία νέα αλλοτροπική μορφή άνθρακα μέσω θέρμανσης γραφίτη σε ακραία υψηλές θερμοκρασίες, η οποία ονομάστηκε buckminsterfullerene /35/ Ο όρος DLC χρησιμοποιείται για ένα ευρύ πεδίο διαφορετικών ανθρακούχων επικαλύψεων. Το κύριο χαρακτηριστικό που διαφοροποιεί την σύνθεση τους είναι ο λόγος μεταξύ άμορφων (sp 2 ) δεσμών που συναντώνται στον γραφίτη και τετραεδρικών δεσμών (sp 3 ) που απατώνται στο διαμάντι, όπως επίσης και το περιεχόμενο σε μη-ανθρακούχα συστατικά. Το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο μη-ανθρακούχα υλικό είναι το υδρογόνο. Για τον λόγο αυτό οι επικαλύψεις DLC κατατάσσονται σε δύο κατηγορίες τις υδρογονούχες (hydrogenated) και τις μη υδρογονούχες (hydrogen-free) /36/. Οι υδρογονούχες DLC επικαλύψεις αποτελούνται από άνθρακά με υδρογόνο σε ποσοστό από 10 έως 60%. Η σκληρότητα αυξάνει με αύξηση του αριθμού των δεσμών sp 3 και μειώνεται με το ποσοστό του υδρογόνου. Το σχήμα 2.3 παρουσιάζει μια σχηματική παράσταση των τριών διαφορετικών δεσμών. Οι δεσμοί τύπου διαμαντιού sp 3 είναι τετραεδρικοί και αντιπροσωπεύουν την πιο συμπαγής δομή του άνθρακα, ενώ οι δεσμοί τύπου γραφίτη sp 2 είναι επίπεδοι επιτρέποντας σε γειτονικά επίπεδα να ολισθαίνουν μεταξύ τους και είναι υπεύθυνα για τις καλές λιπαντικές ιδιότητες του γραφίτη. Η πρόσθεση υδρογόνου στο άνθρακα οδηγεί σε υδρογονούχους sp 3 δεσμούς, όπου τα άτομα άνθρακα αντικαθίστανται από υδρογόνο, με αποτέλεσμα η συνοχή να είναι σαφώς χειρότερη. Στο σχήμα 2.4 παριστάνεται το τριπλό διάγραμμα για τα συστήματα επικαλύψεων DLC που απεικονίζει την σχέση μεταξύ της περιεκτικότητας σε υδρογόνο και του ποσοστού σε δεσμούς sp 2 και sp 3. Ενώ οι κλασσικές επικαλύψεις a-c και a-c:h έχουν σχετικά μικρό ποσοστό δεσμών sp 3, η σύγχρονη έρευνα επικεντρώνεται στην αύξηση του ποσοστού sp 3 για την παραγωγή επικαλύψεων που συνδυάζουν την άμορφη και τετραεδρική ατομικής (t-a-c) ή μοριακής (t-a- C:H) δομή /34/. Σχήμα 2.3: Σχηματική παράσταση πιθανών δεσμών άνθρακα - 9 -

20 2. Στάθμη γνώσεων Σχήμα 2.4: δεσμών sp 2 προς sp 3 /34/ Τριπλό διάγραμμα των διαφορετικών DLC επικαλύψεων και του λόγου των Όπως και οι χάλυβες, οι επικαλύψεις DLC αποτελούν μία ομάδα υλικών με ένα ευρύ πεδίο ιδιοτήτων /37,38/. Γενικά κοινό χαρακτηριστικό τους είναι ο χαμηλός συντελεστή τριβής, η υψηλή αντίσταση σε φθορά και η σκληρότητα, /36,39,40,41/. H σκληρότητα των επικαλύψεων DLC είναι της τάξης των GPa και το αντίστοιχο μέτρο ελαστικότητας 6-10 φορές μεγαλύτερο, ενώ οι εναπομένουσες συμπιεστικές τάσεις της τάξης των 0,5-7 GPa. H σκληρότητα των επικαλύψεων ta-c προσεγγίζει υψηλότερες τιμές της τάξης των Gpa και το μέτρο ελαστικότητας τους έως και 900 GPa, ενώ οι εναπομένουσες τάσεις έως και 13 GPa. Ο δε συντελεστής τριβής στην ατμόσφαιρα και σε υγρασία από 20~60% έχει τιμές από 0,05 έως και 1 /42/. Συγκρίσιμη είναι η χημική αντίσταση των επικαλύψεων άμορφου άνθρακα με αυτή του διαμαντιού. Καθώς δεν έχει παρατηρηθεί χημική προσβολή σε θερμοκρασία χαμηλότερη των C, οι επικαλύψεις a-c και a-c:h είναι ιδανικές για χημική και μηχανική προστασία. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες παρατηρείται εξάτμιση του υδρογόνου, με αποτέλεσμα να χειροτερεύει η σκληρότητα και ο συντελεστής τριβής της επικάλυψης /34, 42/. Οι επικαλύψεις a-c:h και DLC βρίσκουν εφαρμογή σε ιατρικά εμφυτεύματα /43/, στην οπτική /40/, σε σκληρούς δίσκους υπολογιστών /44/, σε κοπτικά εργαλεία /36/, σε έδρανα κύλισης /39/ και έδρανα ολίσθησης /45/, σε φακούς γυαλιών ηλίου για προστασία από φθορά, σε ηλεκτρονικούς πίνακες /42/ κ.α

21 2. Στάθμη γνώσεων Επικαλύψεις νιτριδίων φυσικής εναπόθεσης ατμών Ο όρος αναφέρεται σε επικαλύψεις που αποτελούνται από ενώσεις αζώτου και συνήθως παρασκευάζονται με αντιδραστική εναπόθεση κατά την οποία διοχετεύεται στον θάλαμο εναπόθεσης μίγμα αέριου αζώτου- αδρανούς αερίου. Εμπορικά χρησιμοποιούνται κυρίως τέσσερις τύποι τέτοιων επικαλύψεων: TiN, Ti(C,N), (Ti,Al)N και CrN /46/, αν και έχουν αναφερθεί και άλλες επικαλύψεις νιτριδίων όπως ZrN, HfN, ΝbΝ. Η πρώτη εναπόθεση νιτριδίου τιτανίου TiN με χημική εναπόθεση ατμών ανάγεται στο 1953 και μαζί με την επικάλυψη καρβιδίου του τιτανίου TiC αποτελούν τις πρώτες επικαλύψεις που παρήχθησαν ποτέ /5/. Oι επικαλύψεις νιτριδίων έχουν εφαρμοστεί επιτυχώς για προστασία από φθορά σε εργαλεία και στοιχεία μηχανών, για διακοσμητικούς λόγους, σε ηλεκτρικές επαφές και για την φραγή φαινομένων διάχυσης σε ηλεκτρονικές συσκευές /47/. O πίνακας 2.1 παρουσιάζει κάποιες αντιπροσωπευτικές ιδιότητες των επικαλύψεων αυτών-. Η ΤiN είναι από τις παλαιότερες PVD επικαλύψεις και η χρήση της έχει περιοριστεί με την ανάπτυξη πιο εξελιγμένων μεθόδων εναπόθεσης, στις οποίες οι στόχοι αποτελούνται από δύο ή περισσότερα μεταλλικά στοιχεία που εναποτίθενται σε ατμόσφαιρα μίγματος αερίου αζώτουαδρανούς αερίου. Η επικάλυψη TiCN παρουσιάζει χαμηλό συντελεστή τριβής στην περίπτωση επαφής με χάλυβα και είναι ιδιαίτερα ανθεκτική σε φθορά. Συνίσταται σε περιπτώσεις όπου κυριαρχούν μηχανισμοί φθοράς απόξεσης ή κατεργασίας σκληρών υλικών Επίσης είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για περιπτώσεις κοπής με διακοπτόμενο απόβλιττο, π.χ. φραιζάρισμα /5,46/. Η TiAlN, η δομή της οποίας παρουσιάζεται στο σχήμα 2.5, είναι από τις πλέον πρόσφατες επικαλύψεις και παρουσιάζει υψηλή αντίσταση σε οξείδωση, γεγονός που την κάνει κατάλληλη για περιπτώσεις κατεργασιών με υψηλές θερμοκρασίες π.χ. κατεργασίες με υψηλές ταχύτητες κοπής /5,46/. Η CrN είναι σχετικά μαλακή και όλκιμη επικάλυψη. Είναι δυνατόν να επιτευχθούν μεγαλύτερα πάχη επικάλυψης και είναι ιδιαίτερα ανθεκτική σε διάβρωση. Για τους λόγους αυτούς συνίσταται σε περιπτώσεις κατεργασίας χαλκού ή τιτανίου /46/. TiN (Ti,Al)N Ti(C,N) CrN Θερμοκρασία έναρξης οξείδωσης 500 O C 800 O C O C Θερμική αγωγιμότητα (W/mK) Σκληρότητα (HV) Πίνακας 2.1: Τυπικές τιμές ιδιοτήτων PVD επικαλύψεων που περιέχουν νιτρίδια

22 2. Στάθμη γνώσεων Σχήμα 2.5: Δομή TιAlN 2.3. Επικαλύψεις θερμικού ψεκασμού Επικαλύψεις που κατασκευάζονται με τη μέθοδο atmospheric plasma spray (ψεκασμός πλάσματος σε ατμοσφαιρικές συνθήκες) Η μέθοδος εναπόθεσης επικάλυψης με plasma spray σε ατμοσφαιρικές συνθήκες, έχει τη δυνατότητα παραγωγής και ανάπτυξης υλικών σε μορφή επικαλύψεων με υψηλό σημείο τήξης (οξείδια, καρβίδια, δύστηκτα μέταλλα και κράματα). Τέτοιες επικαλύψεις παράγονται σε αδρανή ατμόσφαιρα αερίων Αr, Ηe, Η 2 και Ν 2. Η περιοχή που επικαλύπτεται είναι η θέση ακριβώς απέναντι από το πιστόλι πλάσματος. Πρόκειται για μια σύγχρονη τεχνική στην τεχνολογία των σκληρών παχιών επικαλύψεων. Σύμφωνα με αυτή τη μέθοδο χρησιμοποιείται μια ηλεκτρική ακίδα σε ένα ακροφύσια μέσα από το οποίο περνά αδρανές αέριο (Αr, Ηe, Η 2 και Ν 2 ) και με τη βοήθεια ενός υψίσυχνου ρεύματος, τα αδρανές αέριο διεγείρεται και δημιουργείται δέσμη πλάσματος, μέσα στην οποία τροφοδοτείται το προς επικάλυψη υλικό σε μορφή λεπτόκοκκης σκόνης σωματιδίων. Τα σωματίδια τήκονται, αποκτούν μεγάλη κινητική ενέργεια, επιταχύνονται και προσκρούουν πάνω στην επιφάνεια του εξαρτήματος με υψηλή ταχύτητα (μέχρι και Mach ΙΙ). Αποτέλεσμα είναι τελικά το σύστημα επικάλυψη-υπόστρωμα να έχει αυξημένες επιφανειακές ιδιότητες, καλή μηχανική αντοχή και ισχυρούς δεσμούς συνάφειας. Όλα τα υλικά (μεταλλικά, κεραμικά, καρβίδια, συνθετικά) μπορούν να μετατραπούν σε υψηλής ποιότητας επικαλύψεις μέσω αυτής της μεθόδου εναπόθεσης. Η προετοιμασία της επιφάνειας του υποστρώματος και η τράχυνση επιτυγχάνεται με μικροκοκκοβολή με σωματίδια μεγάλης σκληρότητας όπως Αl με μέγεθος κόκκων 0,8 έως 1μm. Στη συγκεκριμένη περίπτωση η τράχυνση της επιφανείας του υποστρώματος στοχεύει στην απόκτηση τραχύτητας με περισσότερο οξείες τιμές που προσδίδουν καλύτερη ποιότητα προσκόλλησης των επικαλύψεων, ειδικά όταν αυτές ανήκουν στην κατηγορία των κεραμικών ή των καρβιδίων

23 2. Στάθμη γνώσεων Σχήμα 2.6: Γραφική παράσταση δημιουργίας επικάλυψης με τη μέθοδο atmospheric plasma spray /48/ Επικαλύψεις που κατασκευάζονται με τη μέθοδο Ψεκασμού Φλόγας Υψηλής Ταχύτητας (High Velocity Oxy/Fuel-HVOF) Αυτή η μέθοδος, η οποία είναι σχετικά νέα, έχει να κάνει με την δημιουργία επικαλύψεων με την βοήθεια ψεκασμού φλόγας υψηλής ταχύτητας. Για να γίνει η τήξη των σωματιδίων χρησιμοποιείται ενέργεια προερχόμενη από την καύση υδρογονανθράκων, όπως είναι το προπάνια ή το προπυλένια ή ακόμη και υδρογόνο. Η καύση γίνεται σε θάλαμο πολύ υψηλής πίεσης με έξοδο μικρής διαμέτρου, έτσι ώστε να δημιουργείται υπερηχητικό αέριο ρεύμα με ταχύτητα ψεκασμού που φθάνει μέχρι και 1100 m/s, όπως φαίνεται στα σχήματα 2.7 και 2.8. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνονται βελτιωμένες επικαλύψεις με μεγαλύτερη πυκνότητα και πιο στιβαρή εσωτερική δομή, αυξάνοντας την αντοχή τους σε φθορά αλλά και τις μηχανικές τους ιδιότητες /49,50,51/. Η θερμοκρασία που μπορεί να αναπτύξει αυτή η μέθοδος είναι κατά πολύ μικρότερη, από αυτή που αναπτύσσεται κατά τον ψεκασμό με πλάσμα. Η μεγάλη όμως ταχύτητα ψεκασμού της επικάλυψης στο υπόστρωμα, είναι αυτή που προσδίδει μεγάλη σκληρότητα και καλή πρόσφυση της επικάλυψης με το υπόστρωμα. Η μέθοδος αυτή είναι ιδανική για τον ψεκασμό υλικών τα οποία κινδυνεύουν να διασπαστούν σε υψηλές θερμοκρασίες. Για παράδειγμα οι αντιτριβικές επικαλύψεις καρβιδίων με μεταλλικό συνδετικό υλικό, μπορούν να ψεκασθούν μέσω αυτής της μεθοδολογίας χωρίς να διασπαστούν τα καρβίδια τους, όπως συμβαίνει όταν ψεκάζονται υπό μορφή πλάσματος

24 2. Στάθμη γνώσεων Σχήμα 2.7: Γραφική παράσταση δημιουργίας επικάλυψης με τη μέθοδο High Velocity Oxy Fuel- HVOF /52/ Σχήμα 2.8: Φωτογραφία της μεθόδου δημιουργίας επικάλυψης με τη μέθοδο High Velocity Oxy Fuel-HVOF /52/ Μορφές ατελειών που μπορεί να παρουσιαστούν στην δομή των θερμικών επικαλύψεων Ο σχηματισμός διαφόρων ατελειών στην δομή των επικαλύψεων που παράγονται με τις τεχνικές του θερμικού ψεκασμού, επηρεάζουν σημαντικά τις ιδιότητες τους. Ατέλειες σε αυτού του είδους επικαλύψεις είναι το ποσοστό του πορώδους τους που μπορεί να είναι από 0.5% έως 10% ανάλογα με τη τεχνική της εναπόθεσης, οι προσμίξεις ξένων προς τη σύσταση της επικάλυψης ανεπιθύμητων σωματιδίων ή στοιχείων (π.χ. Ο 2 ) αλλά και άτηκτοι κόκκοι του ίδιου του υλικού που ψεκάζεται. Οι ατέλειες έχουν σαν αποτέλεσμα την κακή συνοχή των τηκόμενων σωματιδίων και γενικότερα της δομής των επικαλύψεων, καθώς και την κακή συνάφεια με το υπόστρωμα. Ένα άλλο φαινόμενο που μπορεί να εμφανιστεί είναι το φαινόμενο του ερπυσμού. Στην περίπτωση μάλιστα εναπόθεσης οξειδίων που χαρακτηρίζονται και δύστηκτα υλικά (refractories), όπως και στην τεχνική του flame spray που το μέγεθος των ψεκαζόμενων

25 2. Στάθμη γνώσεων σωματιδίων είναι αρκετά μεγάλο, της τάξεως των μm, εξαιτίας αυτών των φαινόμενων δημιουργείται ένα δίκτυο ατελειών στην δομή της επικάλυψης. Σε αντίθεση με τις μεταλλικές επικαλύψεις, κράματα και σύνθετα υλικά μεταλλικής μήτρας (π.χ. WC/Co), η εμφάνιση μεγάλου ποσοστού ατελειών, οδηγεί σε μείωση της μηχανικής αντοχής τους κυρίως όταν υποβάλλονται σε κρουστικά φορτία. Όλες αυτές oι ατέλειες στη δομή των διαφόρων επικαλύψεων εκτός του ότι μειώνουν σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητές τους προκαλούν και άλλα φαινόμενα, τα οποία μπορεί να θέσουν εκτός λειτουργίας τα διάφορα επικαλυμμένα εξαρτήματα. Το φαινόμενο του ερπυσμού είναι αρκετά γνωστό για αυτούς που ασχολούνται με στοιχεία μηχανών τα οποία λειτουργούν σε πολύ μεγάλες θερμοκρασίες. Ένα πολύ μεγάλο μέρος της βιβλιογραφίας που αναφέρεται στον ερπυσμό έχει να κάνει με την διερεύνηση αυτού του φαινόμενου με θεωρίες και πειραματικές διαδικασίες σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Σε μικρότερο βαθμό τα φαινόμενο του ερπυσμού έχει εξετασθεί για υλικά πολύ μαλακά ή υλικά τα οποία παρουσιάζουν δομή με πόρους σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Η γωνία ψεκασμού του πλάσματος επιδρά στην δημιουργία πόρων στο εσωτερικό της δομής των επικαλύψεων που παράγονται με την μέθοδο του θερμικού ψεκασμού πλάσματος. Όσο μειώνεται η γωνία αυτή τόσο μεγαλύτερο είναι το ποσοστό που εμφανίζεται στην επικάλυψη. Φυσικά σημαντικό ρόλο στη δημιουργία των πόρων αυτών παίζει και το είδος του υλικού της επικάλυψης που πρόκειται να ψεκασθεί. Στη περίπτωση όπου τα υλικά αυτά είναι πολύ μαλακά και με κάποια ποσοστό πορώδους στην δομή τους τότε είναι σίγουρο ότι όταν φορτίζονται πέρα από κάποιο συγκεκριμένο φορτίο σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, τότε το φαινόμενο του ερπυσμού αρχίζει να επηρεάζει το υλικό. Τέτοιου είδους μηχανισμοί παρουσιάζονται σε μικρό ή μεγάλο βαθμό στη περίπτωση των επικαλύψεων που κατασκευάζονται με τη μέθοδο του θερμικού ψεκασμού, ανάλογα με το υλικό και τις δομικές του ατέλειες Μηχανισμοί φθοράς Όπως έχει ήδη αναφερθεί παραπάνω, η πλέον διαδεδομένη εφαρμογή των επικαλύψεων είναι η βελτίωση της τριβολογικής συμπεριφοράς της επιφάνειας αντικειμένων, η οποία ανάγεται κυρίως σε καλύτερη προστασία από φθορά. Ωστόσο, δεν θα πρέπει να αγνοείται ότι η φθορά δεν είναι μόνο ιδιότητα του υλικού είναι η απόκριση του συστήματος /53,54/. Υπάρχουν δύο είδη φθοράς, η μηχανική φθορά και η χημική φθορά. Στην μηχανική φθορά σωματίδια δημιουργούνται κυρίως από μικρο-παραμορφώσεις και θραύσεις του υλικού στην περιοχή της επαφής. Οι θραύσεις αυτές μπορούν να προέρχονται από κόπωση, ψαθυρή ή

26 2. Στάθμη γνώσεων Σχήμα 2.9: Σχηματική παράσταση συναφειακής φθοράς και φθοράς απόξεσης όλκιμη θραύση ανάλογα με τις ιδιότητες του υλικού, τις τάσεις, την παραμόρφωση και τον ρυθμό της παραμόρφωσης στην περιοχή επαφής. Όταν η θραύση προέρχεται από μηχανισμούς κόπωσης, τότε η προκαλούμενη φθορά ονομάζεται φθορά κόπωσης. Όταν η φθορά θεωρείται σαν αποτέλεσμα διατμητικής δύναμης (π.χ δύναμη τριβής) στην επιφάνεια επαφής, τότε η προκαλούμενη φθορά ονομάζεται συναφειακή φθορά (βλέπε αριστερό τμήμα του σχήματος 2.9). Όταν η θραύση υποτίθεται ότι προκαλείται από μικρο-κατεργασίες κοπής λόγω παραδείγματος χάρη της τραχύτητας των σωμάτων ή από την παρουσία τρίτων σωμάτων, η προκαλούμενη φθορά αποκαλείται φθορά απόξεσης (βλέπε δεξί τμήμα του σχήματος 2.9). Στην χημική φθορά, σωματίδια φθοράς δημιουργούνται κυρίως από μηχανική αφαίρεση των προϊόντων χημικών αντιδράσεων στην περιοχή επαφής /54/. Εμπειρικοί νόμοι περιγραφής της εξέλιξης της φθοράς έχουν προταθεί από διαφόρους ερευνητές. Οι νόμοι αυτοί μπορούν να συμπυκνωθούν γενικά στις εξής τρεις προτάσεις: Η φθορά είναι ανάλογη της δύναμης Η φθορά είναι ανάλογη του μήκους ολίσθησης Η φθορά είναι αντιστρόφως ανάλογη της σκληρότητας του υλικού Η πλέον κλασσική εξίσωση περιγραφής της εξέλιξης της φθοράς είναι αυτή του Archard /54,55/ σύμφωνα με την οποία η φθορά w προσεγγίζεται από τον τύπο: P * s w = K * (1) H όπου Η η σκληρότητα του υλικού, P το εφαρμοζόμενο φορτίο, s το μήκος ολίσθησης και K μία παράμετρος που εξαρτάται από το ζεύγος των υλικών σε επαφή Κοπτικά εργαλεία από σκληρομέταλλο Στις αρχές του εικοστού αιώνα άρχισαν να χρησιμοποιούνται στις μηχανουργικές μορφοποιήσεις εργαλεία από ταχυχάλυβα των οποίων η συμπεριφορά φθοράς βελτιωνόταν σημαντικά λόγω της παρουσίας σωματιδίων καρβιδίων του βολφραμίου στη μεταλλική μήτρα τους /56/. Το επόμενο φυσικό βήμα ήταν να δημιουργηθούν κοπτικά εργαλεία από καθαρά

27 2. Στάθμη γνώσεων καρβίδια του βολφραμίου. Παρότι παρουσιάσθηκαν αντικειμενικές δυσκολίες, λόγω της υψηλής θερμοκρασίας πυροσυσσωμάτωσης (>2000 ο C), η δημιουργία αυτών των εργαλείων ολοκληρώθηκε με φτωχά αποτελέσματα καθώς τα σχετικά εργαλεία αποδείχτηκαν πολύ ψαθυρά σε βιομηχανικές εφαρμογές. Το θεμελιώδες αυτό πρόβλημα λύθηκε λίγα χρόνια αργότερα (1914) όταν ο Κarl Schröter εργαζόμενος στην εταιρία Osram ανακάλυψε ότι το καρβίδιο του βολφραμίου αναμειγμένο με μέταλλα όπως σίδηρος, νικέλιο ή κοβάλτιο σε κάποιο ποσοστό, πυροσυσσωματώνονταν στους 1500 ο C και το τελικό προϊόν είχε χαμηλό πορώδες και υψηλή σκληρότητα. Τα σκληρομέταλλα ως υλικά κοπτικών εργαλείων παρουσιάστηκαν από το Fried Krupp το 1927 κάτω από την ονομασία Widia (wie Diamant) και μέσω συνεχών βελτιώσεων τους απέκτησαν κυρίαρχη θέση σε μηχανουργικές εφαρμογές /56/. Η κύρια διαδικασία παραγωγής σκληρομετάλλων βασίζεται στην κονιομεταλλουργία. Κατά κύριο λόγο σκόνες από καρβίδιο του βολφραμίου (WC) με άλλα καρβίδια όπως τιτανίου (TiC), τανταλίου (TaC) και νιοβίου (ΝbC) αναμειγνύονται βάση προδιαγραμμένων αναλογίων και αλέθονται. Στη συνέχεια συμπιέζονται παρουσία κοβαλτίου που αποτελεί και το συνδετικό υλικό και ακολουθεί μια πρώτη φάση πυροσυσσωμάτωσης στους 900 o C. Το εξαγόμενο τεμάχιο μορφοποιείται και μια τελική διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης λαμβάνει χώρα σε υψηλή θερμοκρασία ( o C) /1/. Η εκλογή της χημικής σύστασης και της κρυσταλλικής δομής των σκληρομετάλλων επιδρά στις ιδιότητες τους. Αύξηση της περιεκτικότητας σε καρβίδια τιτανίου και τανταλίου και αντίστοιχη μείωση του κοβαλτίου συμβάλλουν στην αύξηση της σκληρότητας, στη βελτίωση της αντοχής σε συγκολλήσεις, της αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες και σε φθορά λόγω διάχυσης. Αντίθετα, αρνητικά επηρεάζεται η αντοχή σε εναλλασσόμενη καμπτική καταπόνηση και σε εναλλαγές της θερμοκρασίας. Σημαντική παράμετρος αποτελεί το μέγεθος των κόκκων όσον αφορά τη συμπεριφορά του σκληρομετάλλου στην κοπή. Τα λεπτόκοκκα σκληρομέταλλα παρουσιάζουν βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες σε σύγκριση με τα συμβατικά συντελώντας στη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής του κοπτικού πλακιδίου /1,58/. Η μικροκοκκοβολή χρησιμοποιείται ευρύτατα σήμερα ως τρόπος κατεργασίας της επιφάνειας σκληρομετάλλων προκειμένου να βελτιωθεί η συνάφεια της επικάλυψης /17,18/. Η μέση απόσταση ανάμεσα στα μέγιστα ύψη της τραχύτητας R Sm μειώνεται μετά από μικροκοκκοβολή των υποστρωμάτων που πρόκειται να επικαλυφθούν. Η τάση αυτή είναι περισσότερο ευδιάκριτη σε μεγαλύτερη πίεση μικροκοκκοβολής, συντελώντας σε μια καλύτερη μηχανική πρόσφυση ανάμεσα στην επικάλυψη και το υπόστρώμα, όπως σχηματικά παρουσιάζεται στο σχήμα

28 2. Στάθμη γνώσεων Σχήμα 2.10: Επίδραση της μικροκοκκοβολής στην επιφανειακή δομή των σκληρομετάλλων και στη συνάφεια της επικάλυψης Έδρανα κυλίσεως και ολισθήσεως Σκοπός των εδράνων γενικά είναι να στηρίζουν τις ατράκτους, τους άξονες και γενικά οποιαδήποτε άλλα περιστρεφόμενα ή ταλαντευόμενα στοιχεία μηχανών. Από τις δυνάμεις και ροπές φορτίσεως των στηριζόμενων στοιχείων δημιουργούνται στα έδρανα εγκάρσιες και αξονικές δυνάμεις στήριξης. Όταν ένα έδρανο παραλαμβάνει μόνο εγκάρσιες δυνάμεις, ονομάζεται εγκάρσιο έδρανο. Όταν παραλαμβάνει μόνο αξονικές, ονομάζεται αξονικό ή ωστικό έδρανο. Η φόρτιση των εδράνων από ροπές, οι οποίες μπορεί να δημιουργούν προβλήματα στη λειτουργία τους, πρέπει οπωσδήποτε να αποφεύγεται. Γι αυτό το λόγο η στήριξη ενός στοιχείου γίνεται πάντοτε με δύο ή περισσότερα έδρανα. Εκείνο το τμήμα ενός στοιχείου, που στηρίζεται σ ένα έδρανο, είναι πάντοτε κυλινδρικό και ονομάζεται στροφέας. Ενώ ο στροφέας περιστρέφεται ή ταλαντεύεται ανάλογα με την κίνηση του στοιχείου, το έδρανο μένει κατά κανόνα ακίνητο. Μεταξύ στροφέα και εδράνου υπάρχει πάντα μια σχετική κίνηση, και επομένως μεταξύ τους αναπτύσσεται πάντα τριβή. Όταν ο στροφέας ολισθαίνει μέσα στο έδρανο, τότε αυτό ονομάζεται (υδροδυναμικό) έδρανο ολισθήσεως ή κουζινέτο. Όταν ο στροφέας κυλίεται πάνω σε σώματα κυλίσεως, τότε το έδρανο ονομάζεται έδρανο κυλίσεως ή ρουλεμάν. Εκτός από ελάχιστες εξαιρέσεις, μέσα σ ένα υδροδυναμικό έδρανο τοποθετείται σχεδόν πάντοτε και συνδέεται με αυτό σταθερά (συνήθως με συναρμογή σύσφιξης) ένας δακτύλιος, ο οποίος μπορεί να κατασκευάζεται από διαφορετικό υλικό από εκείνο του στροφέα

29 2. Στάθμη γνώσεων Η εσωτερική διάμετρος του δακτυλίου ενός υδροδυναμικού εδράνου είναι λίγα δέκατα ή και χιλιοστά ακόμη του mm μεγαλύτερη από την εξωτερική διάμετρο του στροφέα. Ο στροφέας τοποθετείται έτσι εύκολα μέσα στον δακτύλιο, με τον οποίο έχει συναρμογή ελεύθερης ολισθήσεως. Στο διάκενο μεταξύ δακτυλίου και στροφέα πρέπει να υπάρχει λιπαντικό, σε στερεή, υγρή ή αέρια κατάσταση, ώστε με τη λίπανση να αποφεύγεται η φθορά ολισθήσεως /45/. Η ελαχιστοποίηση της χρήσης λιπαντικού αποτελεί επίσης καθοριστική σχεδιαστική παράμετρο και εξαρτάται κυρίως από την τραχύτητα των σωμάτων επαφής και τον ρυθμό φθοράς τους. Με στόχο την υπέρβαση λειτουργικών ορίων που δημιουργεί η αποκλειστική χρήση χάλυβα στην κατασκευαστική βιομηχανία των εδράνων, προτάθηκε η ανάπτυξη των λεγόμενων υβριδικών εδράνων (hybrid bearings) /59,60,61,62,63,64,65,66,67,68/. Η αύξηση της περιστροφικής ταχύτητας, η μείωση του συντελεστή τριβής και της παροχής λιπαντικού που προκύπτουν με χρήση υβριδικών εδράνων είναι αναμφισβήτητες, αλλά περιορίζονται από την τριβολογική συμπεριφορά των χαλύβδινων τροχιών. Οι σκληρές λεπτές επικαλύψεις προσφέρουν μια σειρά σημαντικών βελτιώσεων στην εν γένει συμπεριφορά των υβριδικών εδράνων κύλισης. Σημαντικότερη όλων αποτελεί η αυξημένη αντοχή σε συμβατική φθορά σε συνθήκες ημιυγρής ή ακόμα ξηράς τριβής, όπως επίσης και ο χαμηλός συντελεστής τριβής. Οι παραπάνω ιδιότητες οδηγούν στην ελαχιστοποίηση της χρήσης λιπαντικού, με την επακόλουθη μείωση των υδροδυναμικών απωλειών, οι οποίες είναι αυξημένες σε περίπτωση υψηλών περιστροφικών ταχυτήτων /63/. Με αυτόν τον τρόπο μειώνεται η αναπτυσσόμενη θερμοκρασία, η συνολική ροπή τριβής και η στάθμη θορύβου, ενώ αυξάνεται αντίστοιχα ο συνολικός βαθμός απόδοσης της ατράκτου. Και οι δύο δακτύλιοι ενός εδράνου κατασκευάζονται συνήθως από σκληρό χαλυβοκράμα (επιφανειακή σκληρότητα πάνω από 60 HRC), για να κρατηθεί η επιφάνεια απαραμόρφωτη καθόλη την διάρκεια ζωής. Όμως, για να ξεπεραστούν τα όποια προβλήματα που θα προέκυπταν κατά την έναρξη-τερματισμό λειτουργίας ή όταν διακοπεί η παροχή λιπαντικού, εφαρμόζεται επικάλυψη στις επιφάνειες λειτουργίας των δύο δακτυλίων. Ωστόσο, για να βεβαιωθεί η αναγκαιότητα ότι οι επιφάνειες των δαχτυλιδιών δεν θα φθαρούν στα σημεία σταματήματος ξεκινήματος, οι δακτύλιοι πρέπει να ξεπεράσουν μια περίοδο που η πίεση τροφοδοσίας του λαδιού είναι χαμηλή ή η τροφοδοσία λαδιού θα διακοπεί από τυχαία περιστατικά ή διαρροή. Βασιζόμενοι σε προηγούμενη εμπειρία από χρήση PVD επικαλύψεων σε γρανάζια /64,65/ και σε άλλα τριβολογικά συστήματα /42,66/, μπορούν να εφαρμόστουν επικαλύψεις στις επιφάνειες τριβής των δακτυλίων που δέχονται πίεση η μια από την άλλη, για να μελετηθούν οι επικαλύψεις απευθείας στα έδρανα /67,68/

30 2. Στάθμη γνώσεων 2.7. Δοκιμασίες προσδιορισμού ιδιοτήτων των επικαλύψεων Δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης Το δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης (σχήμα 2.11) αποτελεί μια κατάλληλη μέθοδο για το χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων κόπωσης των επικαλύψεων /10,11,12,13,14,15/. Κατά τη διάρκεια της επαναλαμβανόμενης κρούσης μια σφαίρα σκληρομετάλλου διεισδύει περιοδικά στην επικάλυψη με ένα μέγιστο επιθυμητό φορτίο. Εξαιτίας της πλαστικής παραμόρφωσης του υποστρώματος που αναπτύσσεται κατά τη φόρτιση, η περιοχή επαφής δεν επανέρχεται στην αρχική επίπεδη μορφή και συνεπώς δημιουργείται ένα κοίλο αποτύπωμα. Αξιολόγηση των πειραμάτων που διεξάγονται μέσω του δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης γίνεται με τη βοήθεια του λογισμικού ΙtecPlus. Σχήμα 2.11: Δοκιμασία κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης και το λογισμικό αξιολόγησης ItecPlus της κρουστικής δοκιμασίας Δοκιμή εισβολής με κωνικό εισβολέα Rockwell C Η δοκιμασία εισβολής με εισβολέα Rockwell C που προδιαγράφεται από τη σύσταση VDI 3198/1991 /69/ παρουσιάζεται στο σχήμα 2.11α. Κατά τη μέθοδο αυτή, το ασκούμενο φορτίο που ασκεί ο αδαμάντινος εισβολέας φτάνει μέχρι τα 150 dan. Σύμφωνα με τη δοκιμασία αυτή

31 2. Στάθμη γνώσεων αξιολογούνται οι μικρορωγμές περιφερειακά του αποτυπώματος εισβολής καθώς και οι ζώνες συναφειακής αστοχίας. Ενδεικτικές περιπτώσεις καλής και κακής συνάφειας μέσω αυτής της μεθόδου φαίνονται στο σχήμα 2.11β. Αξίζει να σημειωθεί ότι η δοκιμασία αυτή δίνει μόνο ποιοτικά αποτελέσματα για τη δύναμη συνάφειας της επικάλυψης. Σχήμα 2.12: Δοκιμασία εισβολής με τη μέθοδο Rockwell C Δοκιμή χάραξης με κωνικό εισβολέα Rockwell C Η μεθοδολογία αυτή είναι ευρέως διαδεδομένη στο χαρακτηρισμό της συνάφειας λεπτών σκληρών επικαλύψεων. /1,70/. Κατά τη δοκιμασία εφαρμόζεται ένα βημάτικο και συνεχώς αυξανόμενο φορτίο στην επιφάνεια του επικαλυμμένου πλακιδίου μέσω ενός κώνου Rockwell, ενώ το δοκίμιο μετακινείται με σταθερή ταχύτητα όπως φαίνεται στο σχήμα 2.13α. Οι κύριοι μηχανισμοί συναφειακής αστοχίας, όπως προσδιορίζονται από τη δοκιμασία χάραξης είναι η αποκόλληση ευρείας κλίμακας, ο διαχωρισμός λόγω κάμψης και θραύσης και η διεπιφανειακή παραμόρφωση με αποχωρισμό /1/. Η συνεκτική αστοχία αποδίδεται στη δημιουργία μικρορωγμών λόγω παραμόρφωσης της επικάλυψης και υπέρβασης του ορίου διαρροής /1/. Οι δεσμοί συνάφειας της επικάλυψης και του υποστρώματος ελέγχονται είτε με χρήση ακουστικών μεθόδων, είτε με χρήση οπτικής ή ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (σχήμα 2.13β) /1,70/. Ωστόσο, η μέθοδος αυτή δίνει μόνο ποιοτικά αποτελέσματα για τη δύναμη συνάφειας της επικάλυψης. Σχήμα 2.13: Δοκιμασία χάραξης (scratch test)

32 3. Σκοπός της εργασίας 3. Σκοπός της εργασίας Οι επικαλύψεις αποτελούν μια αξιόπιστη μέθοδο προστασίας των βασικών υλικών υποστρώματος, καθώς παρουσιάζουν ιδιαίτερα τριβολογικά χαρακτηριστικά και αυξημένη αντοχή σε φθορά. Υπάρχει επομένως η ανάγκη οι επικαλύψεις να δοκιμάζονται με απλές και αξιόπιστες μεθόδους, που θα προσεγγίζουν τις πραγματικές συνθήκες φόρτισης για το πεδίο εφαρμογών τους και στην περίπτωση που αυτό είναι δυνατόν να εξαχθούν ποσοτικά συμπεράσματα για τις ιδιότητες της επικάλυψης. Στην περίπτωση που στο πεδίο εφαρμογής τους οι επικαλύψεις καταπονούνται κυρίως από κρουστικά δυναμικά φορτία (εργαλεία φραιζαρίσματος, πτερύγια αντλιών, έδρανα κύλισης και ολίσθησης κα), η πλέον κατάλληλη μεθοδολογία ελέγχου είναι η δοκιμασία της κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης, κατά την οποία σφαίρα συνήθως σκληρομετάλλου προσκρούει επαναλαμβανόμενα υπό σταθερή δύναμη στην επικαλυμμένη επιφάνεια. Προηγούμενες έρευνες /10,11,13,14,15/ στο τομέα αυτό ανέδειξαν ως κυρίαρχο μηχανισμό αστοχίας την κόπωση της επικάλυψης και πρότειναν την εφαρμογή της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σαν μια διαδικασία για τον προσδιορισμό διαγραμμάτων Smith και Wöhler. Ωστόσο, άλλοι ερευνητές θεωρούν σαν πηγή προέλευσης της αστοχίας την φθορά (fretting wear) /26/ ή διακρίνουν τρεις τύπους αστοχίας ανάλογα με την περιοχή που εμφανίζεται: στο κέντρο του κύκλου επαφής η αστοχία προέρχεται από λύση της συνοχής λόγω υψηλών διατμητικών τάσεων, στην περιφέρεια λόγω υψηλών εφελκυστικών τάσεων και στην ενδιάμεση περιοχή, όπου παρατηρείται συνδυασμός συνοχικής-συναφειακής αστοχίας συνάφειας λόγω πλαστικής παραμόρφωσης του υποστρώματος και των δυνάμεων τριβής /27,28/. Λόγω των παραπάνω, οι μεθοδολογίες που χρησιμοποιούνται μέχρι σήμερα για τον χαρακτηρισμό των επικαλύψεων ως προς τη συνάφεια της επικάλυψης με το υπόστρωμα δεν είναι δυνατόν να προσφέρουν ποσοτικές πληροφορίες ως προς την ποιότητα της συνάφειας, παρά μόνο αρκούνται στον ποιοτικό χαρακτηρισμό της συνάφειας. Αντίθετα, η πιθανότητα η έναρξη της αστοχίας της επικάλυψης να προέρχεται από μηχανισμούς φθοράς απόξεσης, ανεξάρτητα από άλλους ή σε συνδυασμό με άλλους μηχανισμούς αστοχίας της επικάλυψης, δεν έχει μελετηθεί επαρκώς μέχρι σήμερα. Τα αποτελέσματα προηγούμενων μελετών των μηχανισμών αστοχίας των επικαλύψεων μέσω της δοκιμής κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης παρείχαν το έναυσμα για περαιτέρω επιρροή της κατανομής τάσεων στην επικάλυψη που εμφανίζεται κατά τη δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης, εφαρμόζοντας στη διάρκειά της ταυτόχρονα κάθετη και εφαπτομενική φόρτιση /71,72/. Με αυτόν τον τρόπο, το αποτέλεσμα της ασθενούς συνάφειας στον τρόπο αστοχίας της επικάλυψης λόγω κρούσης θα ήταν πιο διακριτό. Έτσι δημιουργήθηκε

33 3. Σκοπός της εργασίας στα πλαίσια της παρούσας έρευνας η δοκιμασία της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης, στην οποία το επικαλυμμένο δοκίμιο τοποθετείται σε κατάλληλη βάση ώστε να προκύπτει συγκεκριμένη γωνία ως προς τη διεύθυνση πρόσκρουσης της σφαίρας του δοκιμαστηρίου. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η εξέλιξη της δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης για τη διερεύνηση των μηχανισμών αστοχίας της συνάφειας και της μικροαπόξεσης στις λεπτές σκληρές επικαλύψεις. Αρχικά επιδιώχθηκε να αποσαφηνιστούν οι κυρίαρχοι μηχανισμοί που επιδρούν κατά την φάση της έναρξης της αστοχίας της επικάλυψης, μέσω της δοκιμασίας της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης. Η παραπάνω πειραματική μέθοδος συνοδεύεται από ένα πρόσφατα εξελιγμένο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων (FEM) που προβλέπει την έναρξη της αστοχίας της επικάλυψης, στο οποίο λαμβάνονται υπόψη οι μηχανικές ιδιότητες των υπαρχόντων υλικών και η δύναμη συνάφειας στη διεπιφάνεια επικάλυψης-υποστρώματος. Μέσω αυτού, μπορούν να υπολογιστούν οι κρίσιμες τάσεις στην επικάλυψη και να ποσοτικοποιηθεί η στιβαρότητα της σύνδεσης μεταξύ επικάλυψης και υποστρώματος ως σταθερά του συστήματος των δύο υλικών. Με την ποσοτικοποίηση της συνάφειας της επικάλυψης με το υπόστρωμα είναι δυνατόν να εξηγηθούν μεταξύ άλλων τα φαινόμενα πρόωρης αστοχίας της επικάλυψης σε διάφορους τύπους εφαρμογών, όπως κοπτικά εργαλεία, στοιχεία μηχανών, πτερύγια αντλιών κ.α. Επιπλέον, μπορούν να εντοπιστούν και να ελεγχθούν προβληματικές εναποθέσεις που δεν θα μπορούσαν να εντοπιστούν με άλλες δοκιμές ελέγχου της συνάφειας, όπως η δοκιμή εισβολής VDI 3198/1991 /1,69/ ή η δοκιμή χάραξης (scratch test) /1,70/. Η δοκιμή της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης εφαρμόστηκε επίσης σε επικαλυμμένα κοπτικά πλακίδια φραιζαρίσματος σε μη λιπαινόμενο περιβάλλον, αλλά και σε πλακίδια ίδιου τύπου και επικάλυψης που βρίσκονταν μέσα σε ένα δοχείο με υγρό λίπανσης. Το υγρό ήταν μίγμα νερού και λαδιού υψηλής απόδοσης σε κοπή σε συγκεκριμένη αναλογία, γνωστό και ως σαπουνέλαιο. Η δοκιμή με το κοπτικό πλακίδιο μέσα σε λιπαινόμενο περιβάλλον πραγματοποιήθηκε για να μελετηθεί κατά πόσο τα υδροδυναμικά φαινόμενα που δημιουργούνται ανάμεσα στις δυο επιφάνειες, επηρεάζουν τους μηχανισμούς φθοράς της επικάλυψης. Με την χρήση του υγρού κοπής και με την εκλογή κατάλληλων πειραματικών συνθηκών επιδιώχθηκε η απομόνωση της κόπωσης από τον μηχανισμό φθοράς της επικάλυψης έτσι ώστε να μελετηθεί η συμπεριφορά της επικάλυψης αποκλειστικά στο φαινόμενο της μικροαπόξεσης. Η δοκιμασία της επαναλαμβανόμενης κρούσης, κάθετης ή πλάγιας, ως πρόσφατα εφαρμοζόταν κυρίως σε επικαλυμμένα δοκίμια επίπεδης γεωμετρίας, όπως ένθετα κοπτικά πλακίδια και επικαλυμμένους δίσκους. Εξαιρετικής σημασίας είναι επίσης η δυνατότητα πραγματοποίησης

34 3. Σκοπός της εργασίας της πειραματικής διαδικασίας απευθείας σε δοκίμια συνθετότερης γεωμετρίας μέσω κατάλληλων ιδιοσυσκευών συγκράτησης, όπως σε δακτυλίους εδράνων κυλίσεως και ολισθήσεως /30,31/, εκκεντροφόρους άξονες ΜΕΚ, βαλβίδες έγχυσης καυσίμου κ.α. Η απευθείας εξέταση των επικαλύψεων που έχουν εναποτεθεί στις κυλινδρικές επιφάνειες των δακτυλίων εδράνων είναι πρωτοποριακή, καθώς η διαδικασία εναπόθεσης επηρεάζει σημαντικά τις προκύπτουσες μηχανικές ιδιότητες της επικάλυψης και τη συνάφεια της με το υπόστρωμα. Για τους λόγους αυτούς κρίθηκε αναγκαία η διεξαγωγή έρευνας στην περιοχή αυτή, προκειμένου να αποσαφηνιστούν πλήρως οι αιτίες αστοχίας της επικάλυψης σε δοκίμια μη επίπεδης γεωμετρίας, που παρουσιάζουν ιδιαιτερότητες στη διαδικασία εναπόθεσης της επικάλυψης σε αυτά, όπως είναι οι δακτύλιοι των εδράνων. Εν προκειμένω χρησιμοποιήθηκαν μεθοδολογίες προσδιορισμού των μηχανικών ιδιοτήτων και ελέγχου της συνάφειας που βασίζονται στην έρευνα που εμπεριέχεται στην παρούσα εργασία, ώστε να επιδειχθεί η εφαρμογή των μεθόδων σε ένα πρακτικό παράδειγμα που παρουσιάζει ιδιαιτερότητες ως προς την εκτέλεση των πειραματικών διαδικασιών. Η λειτουργία της δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης δεν σταματά με την πρόκληση της αρχικής αστοχίας της επικάλυψης. Ο ρυθμός με τον οποίο η επικάλυψη αποδομείται, δηλαδή ο ρυθμός με τον οποίο η αρχική αστοχία μεταδίδεται στον υπόλοιπο κύκλο επαφής ως την πλήρη απομάκρυνση της επικάλυψης, δίνει σημαντικές πληροφορίες για την ποιότητα της επικάλυψης και τις τριβολογικές της ιδιότητες /12,73,74,75/. Ειδικά για επικαλύψεις μεγάλου πάχους, όπως είναι οι επικαλύψεις θερμικού ψεκασμού, δημιουργήθηκε μια μεθοδολογία η οποία να μπορεί να ποσοτικοποιήσει τον ρυθμό με τον οποίο η επικάλυψη αποδομείται, ώστε να είναι δυνατή η άμεση σύγκριση της απόδοσης των διάφορων επικαλύψεων που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την αύξηση της διάρκειας ζωής εξαρτημάτων συγκεκριμένων εφαρμογών

35 4. Πειραματικές διατάξεις 4. Πειραματικές διατάξεις 4.1. Δοκιμαστήριο κάθετης και πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Το δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης στο οποίο πραγματοποιήθηκαν τα αντίστοιχα πειράματα, κατασκευάστηκε από το ΕΕΔΜ του ΑΠΘ /10,11,12,13,14,15/ σε συνεργασία με την εταιρεία CemeCon AG. Βασίστηκε σε προηγούμενο μοντέλο που παρουσιάστηκε από τον Knotek /9/ και το οποίο εξελίχθηκε περαιτέρω. Κατά την διάρκεια των πειραμάτων ένας εισβολέας -συνήθως είναι σφαίρα σκληρομετάλλου Κ05 διαμέτρου 5mm- προσκρούει σε επικαλυμμένη επίπεδη επιφάνεια υπό σταθερή δύναμη με συχνότητα 50 Hz, με αποτέλεσμα το σύστημα επικάλυψης-υποστρώματος να φορτίζεται μεταξύ μιας μηδενικής και μιας μη μηδενικής τιμής δύναμης. Ως αποτέλεσμα έχουμε την εμφάνιση ενός μόνιμου κοίλου αποτυπώματος. Ο λόγος, για τον οποίο η περιοχή επαφής δεν επανέρχεται πλήρως στην αρχική της επίπεδη μορφή, έγκειται στην πλαστική παραμόρφωση που εξελίσσεται κατά την φάση της φόρτισης, καθώς και στην εξελισσόμενη σταδιακά φθορά της επικάλυψης. Για κάθε συγκεκριμένο σύστημα επικάλυψης-υποστρώματος, υπάρχει ένα κρίσιμο φορτίο κρούσης, που αντιστοιχεί σε 10 6 επαναλαμβανόμενες κρούσεις, για το οποίο η επικάλυψη δεν αστοχεί. Στο δεξί μέρος του σχήματος 4.1 παρουσιάζεται η FEM προσομοίωση της διαδικασίας της κρούσης μέσω του αντιστοίχου δοκιμαστηρίου, στην οποία είναι απαραίτητη η γνώση των μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών επικάλυψης και υποστρώματος. Με την βοήθεια της FEM προσομοίωσης μπορούν να υπολογιστούν οι τάσεις που αναπτύσσονται στην επικάλυψη, και οι οποίες σχετίζονται με το Σχήμα 4.1: Η αρχή λειτουργίας του δοκιμαστηρίου και η FEM προσομοίωση του πειράματος

36 4. Πειραματικές διατάξεις κρίσιμο φορτίο, εξασφαλίζοντας έτσι την διαρκή αντοχή της επικάλυψης, όπως φαίνεται στα αντίστοιχα διαγράμματα Smith και Woehler. Η διαδικασία προσδιορισμού των παραπάνω διαγραμμάτων γίνεται με την βοήθεια ενός πλήρως αυτόματου λογισμικού, του ITEC, με το οποίο είναι εφοδιασμένο το δοκιμαστήριο /10,12/. Προκειμένου να ποσοτικοποιηθεί ο βαθμός στον οποίο η επικάλυψη έχει αστοχήσει, ορίζεται ο λόγος της επιφάνειας αστοχίας FR ως το ποσοστό της επιφάνειας του κύκλου επαφής από την οποία έχει απομακρυνθεί η επικάλυψη (σχήμα 4.2). Το μέγεθος FR είναι δυνατόν να προσδιοριστεί αυτόματα με την βοήθεια του αλγόριθμου WEPROC /23/. Ο συγκεκριμένος αλγόριθμος λειτουργεί σε συνεργασία με τις φωτογραφίες τύπου back scatter των αποτυπωμάτων που λαμβάνονται μέσω του Σαρωτικού Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου (SEM). Οι παραπάνω φωτογραφίες εξαρτώνται από τα υλικά και ειδικά τα ξεχωριστά στρώματα που βρίσκονται στην επιφάνεια. Το λογισμικό WEPROC χρησιμοποιεί την ανάλυση της χρωματικής πυκνότητας και τελικά υπολογίζει τον λόγο επιφάνειας αστοχίας FR. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας θα αξιολογηθούν τα αποτελέσματα που προκύπτουν από μια νέα δοκιμή κρούσης, της οποίας η αρχή λειτουργίας βασίζεται σε αυτή της επαναλαμβανόμενης κρούσης, όπως αυτή περιγράφηκε παραπάνω. Συγκεκριμένα, με την κατασκευή κατάλληλης ιδιοσυσκευής συγκράτησης (σχήμα 4.3) είναι δυνατόν να πραγματοποιηθούν διαδοχικά χτυπήματα πάνω σε κεκλιμένη επιφάνεια. Ως αποτέλεσμα έχουμε την ταυτόχρονη κάθετη και εφαπτομενική φόρτιση των επικαλυμμένων δοκιμίων. Έτσι με την παραπάνω δοκιμή επιδιώκεται ο προσδιορισμός της συμπεριφοράς της επικάλυψης κατά την ταυτόχρονη ενεργοποίηση των μηχανισμών συνεκτικής και συναφειακής φθοράς. Σχήμα 4.2: Καθορισμός της επιφάνειας αστοχίας εντός του αποτυπώματος μέσω του αλγόριθμου WEPROC

37 4. Πειραματικές διατάξεις Σχήμα 4.3: Η ιδιοσυσκευή συγκράτησης και ανάλυση της εφαρμοζόμενης δύναμης της δοκιμής κεκλιμένης επαναλαμβανόμενης κρούσης Συσκευή νανοσκληρομέτρησης Αναπόσπαστο μέρος κατά την εξέλιξη των υλικών αποτελεί η γνώση των μηχανικών τους ιδιοτήτων όπως το μέτρο ελαστικότητας και το όριο διαρροής. Μέσω σύγχρονων συσκευών νανοδιείσδυσης παρέχεται η δυνατότητα να εκτιμηθούν οι ιδιότητες αντοχής διαφορών υλικών /76,77,78,79,80,81,82,83,84/. Η συσκευή νανοσκληρομέτρησης που χρησιμοποιήθηκε για τα πειράματα που θα παρουσιασθούν είναι της εταιρίας Helmut FISCHER GmbH & Co, μοντέλο FISCHERSCOPE H100 και φαίνεται στο σχήμα 4.4. Στη συσκευή εφαρμόζονται αδαμάντινοι εισβολείς τύπου Berkovich, Vickers και Knupp. Η όλη διαδικασία είναι πλήρως Σχήμα 4.4: Νανοσκληρόμετρο της εταιρίας FISCHER GmbH & Co

38 4. Πειραματικές διατάξεις αυτοματοποιημένη μέσω του λογισμικού WIN-HCU ver 1.9. Μεταξύ των δυνατοτήτων της συσκευής αυτής είναι η μέτρηση με μέγιστο φορτίο από 1 μέχρι 1000 mn με διακριτοποίηση 0.1 mn, η εύρεση της Γενικευμένης Σκληρότητας (Universal Hardness HU), η οποία δύναται να μετατραπεί σε σκληρότητα Vickers σύμφωνα με τη διαδικασία που προδιαγράφεται από το DIN 50359, όπως επίσης και η απευθείας μέτρηση της σκληρότητας Vickers με βάση το DIN /16/. Επιπλέον, παρέχει την δυνατότητα ταυτόχρονης καταγραφής εφαρμοζόμενης δύναμηςδιείσδυσης εισβολέα. Από την καταγραφή αυτή είναι δυνατή η εύρεση της καμπύλης 0άσης παραμόρφωσης της επικάλυψης /16,85,86,87,88,89/ Συσκευή κρατεροποίησης για τον προσδιορισμό του πάχους επικαλύψεων Σημαντική παράμετρος στην απόδοση κοπής των επικαλυμμένων PVD εργαλείων αποτελεί το πάχος επικάλυψης όπως έχουν αναδείξει σχετικές έρευνες /17,29,90,91/. Η μέτρηση του πάχους της επικάλυψης γίνεται μέσω απόξεσης με τη συσκευή KALOΤTCHEN της εταιρίας CemeCon AG (βλέπε σχήμα 4.5). Η αρχή λειτουργίας της συσκευής είναι πολύ απλή και υλοποιείται μέσω περιστροφής της σφαίρας σκληρομετάλλου είτε ωρολογιακά είτε αντιωρολογιακά και με χρήση διαλύματος σκόνης διαμαντιού στο σημείο επαφής σφαίρας επικάλυψης. Έτσι επιτυγχάνεται το αποτύπωμα που φαίνεται σε μεγέθυνση στο κάτω δεξί τμήμα του σχήματος. Στη συνέχεια με τη βοήθεια μικροσκοπίου, που στην τράπεζα του διαθέτει μικρομετρικό κανόνα, μετρώνται τα μεγέθη Χ και Υ. Το πάχος της επικάλυψης υπολογίζεται εφαρμόζοντας της μαθηματική σχέση που φαίνεται στο σχήμα 4.5 Σχήμα 4.5: Συσκευή μέτρησης πάχους επικάλυψης

39 4. Πειραματικές διατάξεις 4.4. Συσκευή επιφανειακής διείσδυσης με κωνικούς εισβολείς από διαμάντι Μια ακόμη δοκιμή η οποία παρέχει αρκετές πληροφορίες για την ποιότητα της συνάφειας της επικάλυψης με το υπόστρωμα είναι η δοκιμασία εισβολής. Η διαδικασία αυτή διεξάγεται με εισβολέα Rockwell C και προδιαγράφεται από τη σύσταση VDI 3198/1991 /69/, όπως περιγράφεται στο σχήμα 4.6. Σύμφωνα με τη σύσταση αυτή, αξιολογούνται οι μικρορωγμές περιφερειακά του αποτυπώματος εισβολής, καθώς και οι ζώνες συναφειακής αστοχίας. Τυπικά αποτελέσματα αυτής της δοκιμασίας με τον αντίστοιχο χαρακτηρισμό της επιφάνειας φαίνονται στο δεξί τμήμα του σχήματος. Αξίζει να σημειωθεί ότι η δοκιμασία αυτή δίνει μόνο ποιοτικά αποτελέσματα για τη δύναμη συνάφειας της επικάλυψης και για το λόγο αυτό για τον ποσοτικό προσδιορισμό της δύναμης συνάφειας, πέραν της δοκιμασίας αυτής, εξελίχθηκαν προσομοιωτικά μοντέλα με τη βοήθεια των πεπερασμένων στοιχείων που σε συνδυασμό με τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης, δύνανται να παράσχουν ποσοτικά αποτελέσματα για τη δύναμη συνάφειας. Σχήμα 4.6: Ποιοτική αξιολόγηση της δύναμης συνάφειας των επικαλύψεων με βάση τη μορφή του αποτυπώματος με εισβολέα κατά Rockwell C (VDI3198/1991)

40 4. Πειραματικές διατάξεις 4.5. Συσκευή χάραξης Η δοκιμασία χάραξης είναι μια διαδεδομένη μεθοδολογία χαρακτηρισμού της αντοχής της συνάφειας λεπτών σκληρών επικαλύψεων σε μαλακότερα υποστρώματα. Η αρχή λειτουργίας συνίσταται στην εφαρμογή ενός βηματικά και συνεχώς αυξανόμενου φορτίου στην επιφάνεια του επικαλυμμένου δοκιμίου, μέσω ενός κώνου Rockwell, ενώ το δοκίμιο μετακινείται με σταθερή ταχύτητα. Η ακίδα του εισβολέα οδηγεί στην ανάπτυξη ελαστικών και πλαστικών παραμορφώσεων οι οποίες εξελίσσονται έως ότου να παρατηρηθεί αστοχία των διεπιφανειακών δεσμών /70/. Η αρχή της δοκιμασίας αυτής και ένα τυπικό αποτέλεσμα παρουσιάζονται στο σχήμα 4.7. Η αντοχή της συνάφειας της επικάλυψης με το υπόστρωμα μπορεί να εκφραστεί μέσω του κρίσιμου φορτίου F c, το οποίο ορίζεται σαν την ελάχιστη φόρτιση, η οποία προκαλεί την πρώτη διεπιφανειακή αστοχία. Πολλές φορές, σε επικαλύψεις υψηλής δύναμης συνάφειας με το υπόστρωμα, είναι δυνατό να παρατηρηθεί αστοχία της εσωτερικής συνοχής της επικάλυψης με αποτέλεσμα την εκτίναξη μικροτεμαχίων της επικάλυψης, τα οποία όμως δεν αποκαλύπτουν το υπόστρωμα (chipping). Η αστοχία που παρατηρείται κατά την εξέλιξη της δοκιμασίας είναι δυνατόν να είναι και σύνθετου τύπου /11/. Σχήμα 4.7: Αρχή της δοκιμασίας χάραξης των επικαλύψεων

41 4. Πειραματικές διατάξεις 4.6. Συσκευή τραχυμέτρησης Ο έλεγχος της τραχύτητας τόσο των ακάλυπτων όσο και των επικαλυμμένων PVD κοπτικών εργαλείων που έχουν υποβληθεί σε διάφορες επιφανειακές κατεργασίες πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια της συσκευής τραχυμέτρησης Surtronic 3+ της εταιρείας Taylor Hobson /92/ (βλέπε σχήμα 4.8α). Η συσκευή τραχυμέτρησης Surtronic 3+ συνδέεται με ηλεκτρονικό υπολογιστή και μέσω του λογισμικού Talyprofile παρέχεται η δυνατότητα να αξιολογηθούν τα αποτελέσματα της μέτρησης. Χαρακτηριστικές περιπτώσεις τραχυγραφήματος για ένα στιλβωμένο και ένα μικροκοκκοβολημένο πλακίδιο σκληρομετάλλου K05-K20 παρουσιάζονται στο σχήμα 4.8β. Με εφαρμογή διαφόρων τύπων στυλίσκων όπως 112/1504, 112/1505, 112/1506 στη συσκευή είναι δυνατό να γίνει μέτρηση της τραχύτητας κυρτών επιφανειών με σχετικά μεγάλο βάθος. Κρίσιμο μέγεθος κατά την τραχύμετρηση αποτελεί η επιλογή του μήκους αποκοπής. Σε σχετικά λείες επιφάνειες το μήκος αποκοπής πρέπει να επιλέγεται μικρότερο σε σύγκριση με πιο τραχιές επιφάνειες. Μέσω του μήκους αποκοπής μπορούν να καθοριστούν οι τραχύτητες δεύτερης και τρίτης τάξεως. Σχήμα 4.8: Συσκευή τραχυμέτρησης και ενδεικτικά αποτελέσματα Συσκευή τρισδιάστατης σάρωσης επιφανειών Ο προσδιορισμός των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των αποτυπωμάτων, που προέκυψαν από τη δοκιμασία πρόσκρουσης, έγινε με χρήση του οπτικού-τρισδιάστατου συστήματος μετρήσεων μsurf explorer της εταιρείας NanoFocus AG (βλ. σχήμα 4.9) /93/. Πρόκειται για έναν τρισδιάστατο σαρωτή επιφανειών ο οποίος βασίζεται στην καινοτόμο confocal Multi- Pinhole τεχνολογία για μέτρηση και ανάλυση επιφανειών τόσο στην περιοχή των χιλιοστών όσο και στην περιοχή των νανομέτρων. Με χρήση του μsurf explorer μπορούμε να προσδιορίσουμε σκληρότητα, να κάνουμε ανάλυση τρισδιάστατων δομών, πυκνότητας στρώματος και

42 4. Πειραματικές διατάξεις γεωμετρικές μετρήσεις. Ο φακός που χρησιμοποιείται μπορεί να αποτυπώσει εικόνες στην περιοχή 260x260μm μέχρι 1.6x1.6mm. Κατόπιν η εικόνα αποστέλλεται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή για περαιτέρω ανάλυση και επεξεργασία των δεδομένων. Μετά το πέρας της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης έγιναν μετρήσεις στα εκάστοτε αποτυπώματα με χρήση του σαρωτικού μικροσκοπίου μsurf. Αρχικά πραγματοποιείται σάρωση της εξεταζόμενης επιφάνειας και εν συνεχεία τα δεδομένα εμφανίζονται μέσω ειδικού λογισμικού στην οθόνη του υπολογιστή του μsurf. Το συγκεκριμένο λογισμικό εμφανίζει το μετρούμενο αποτύπωμα σε κάθετη τομή, ακολουθούν οι μετρήσεις της διαμέτρου και του βάθους του αποτυπώματος και τα αποτελέσματα καταγράφονται. Αναλυτικότερα, μετρώνται οι διαστάσεις Χ και Υ της συνολικής επιφάνειας του δοκιμίου. Έπειτα υπολογίζεται το ποσοστό των έγκυρων σημείων που βρίσκονται εντός της μαρκαρισμένης με φίλτρο περιοχής (βλ. σχήμα 4.10). Το γινόμενο των αρχικών διαστάσεων επί το ποσοστό των έγκυρων σημείων της μαρκαρισμένης περιοχής δίνει την επιφάνεια προβολής του αποτυπώματος. Το μέσο βάθος του αποτυπώματος υπολογίζεται μέσω αριθμητικής ολοκλήρωσης στο αποτύπωμα. Το μέσο βάθος του αποτυπώματος πολλαπλασιασμένο επί την προβολή της επιφάνειας του αποτυπώματος δίνει τον όγκο εντός του αποτυπώματος δηλαδή των όγκο που αφαιρέθηκε κατά τη δοκιμή κρούσης. Σχήμα 4.9: μsurf explorer και λεπτομέρεια του φακού του μsurf explorer

43 4. Πειραματικές διατάξεις Σχήμα 4.10: Υπολογισμός όγκου υλικού που αφαιρέθηκε στην δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης χρησιμοποιώντας λογισμικό 3D τοπογραφίας επιφάνειας 4.8. Μικροσκόπια Η διαπίστωση της ύπαρξης αστοχίας στην επικάλυψη μετά την διεξαγωγή πειραμάτων κρούσης διεξαγόταν με χρήση σαρωτικού ηλεκτρονικού μικροσκοπίου αλλά και οπτικού στερεοσκοπικού μικροσκοπίου. Το σαρωτικό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (SEM) που χρησιμοποιήθηκε είναι τύπου Joel-840, είναι εγκατεστημένο στο Εργαστήριο Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας του τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ και εικονίζεται στο σχήμα Το μικροσκόπιο αυτό, πέρα από την δυνατότητα λήψης φωτογραφιών μεγέθυνσης έως και 50x10 3, παρέχει την δυνατότητα λήψης μικροφασματικών αναλύσεων (EDX) σε σημεία του δοκιμίου. Η διαδικασία αυτή στηρίζεται στην διαφορετική ενέργεια των ακτινών x που εκπέμπονται από την επιφάνεια του εξεταζόμενου σημείου, ενέργεια που εξαρτάται από το είδος των μεταλλικών στοιχείων της επιφάνειας. Στο δεξί τμήμα του δίνεται σαν παράδειγμα φωτογραφία κοπτικής ακμής πλακιδίου φραιζαρίσματος επικαλυμμένης με TINALOX που ελήφθη από το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο και το αντίστοιχο διάγραμμα EDX σημείου της επιφάνειας. Παράλληλα κυρίως για την μέτρηση της φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας κατά την διάρκεια των πειραμάτων κοπής έγινε χρήση και του στερεοσκοπικού οπτικού μικροσκοπίου Stemi 2000-C της εταιρείας Zeiss (σχήμα 4.12) που είναι εγκατεστημένο στο ΕΕΔΜ του ΑΠΘ. Μέσω αυτού είναι δυνατή η λήψη φωτογραφιών σε ηλεκτρονική μορφή

44 4. Πειραματικές διατάξεις Σχήμα 4.11: Σαρωτικό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο Joel-840 Σχήμα 4.12: Οπτικό στερεοσκοπικό μικροσκόπιο

45 5. Μηχανισμοί έναρξης αστοχίας επικαλύψεων στην πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση σε διάφορες γωνίες 5. Μηχανισμοί έναρξης και διάδοσης της αστοχίας επικαλύψεων κατά τη δοκιμασία πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε διάφορες γωνίες κρούσης 5.1. Δοκιμή κάθετης και πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε επικαλυμμένες επιφάνειες Εξαιρετικής σημασίας είναι η ακριβής γνώση των ιδιοτήτων κόπωσης σε διάφορες περιπτώσεις συστημάτων επικάλυψης υποστρώματος για την μελέτη της αστοχίας επικαλύψεων σε στοιχεία τα οποία καταπονούνται από δυναμικά φορτία, όπως για παράδειγμα επικαλυμμένα κοπτικά εργαλεία σε κατεργασίες διακοπτόμενης κοπής. Επιπροσθέτως όμως, με τη βοήθεια του δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης είναι εφικτός ο προσδιορισμός μιας σειράς ιδιοτήτων των επικαλύψεων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η δυνατότητα διευκρίνησης των τρόπων αστοχίας της επικάλυψης λόγω συνάφειας και συνοχής. Με χρήση της παραπάνω δοκιμής μπορούν να προκύψουν πολύτιμα αποτελέσματα για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς σε κοπή των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων /10,11,12,13,14,15,94,95,96/. Ταυτόχρονα η δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης μπορεί να λειτουργήσει επιτυχώς και για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων των επικαλύψεων σε φαινόμενα ερπυσμού /19,20,21/. Στο σχήμα 5.1 απεικονίζεται το δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης και η βασική αρχή λειτουργίας του. Κατ αυτή, μια σφαίρα σκληρομετάλλου επιταχύνεται και προσκρούει συνεχόμενα σε ένα δοκίμιο με επικαλυμμένη επιφάνεια κάτω από σταθερή μέγιστη δύναμη κρούσης. Η συγκεκριμένη δύναμη μετράται μέσω πιεζοηλεκτρικού δυναμόμετρου και παρακολουθείται καθ όλη την διάρκεια του πειράματος. Ως αποτέλεσμα έχουμε την δημιουργία ενός μόνιμου κοίλου αποτυπώματος, λόγω της εξελισσόμενης πλαστικής παραμόρφωσης κατά την διάρκεια της φόρτισης, στην περιοχή της επαφής. Ανάλογα με την δύναμη της πρόσκρουσης και τον αριθμό των κρούσεων είναι δυνατόν να ανιχνευθεί αστοχία της επικάλυψης με χρήση και οπτικού μικροσκοπίου. Μέσω της δοκιμασίας πρόσκρουσης σε διάφορες δυνάμεις και αριθμό κρούσεων μπορεί να κατασκευαστεί το διάγραμμα της δύναμης ως προς τον αριθμό κρούσεων που οδηγεί σε αστοχία της επικάλυψης. Στο δεξί μέρος του σχήματος παρουσιάζεται η FEM προσομοίωση της διαδικασίας της κρούσης μέσω του αντιστοίχου δοκιμαστηρίου, όπου λαμβάνονται υπόψη οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών επικάλυψης και υποστρώματος. Με την βοήθεια της παραπάνω προσομοίωσης του πειράματος προσδιορίζονται τα διαγράμματα Smith και Woehler του υλικού της εξεταζόμενης επικάλυψης

46 5. Μηχανισμοί έναρξης αστοχίας επικαλύψεων στην πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση σε διάφορες γωνίες Βασικό ρόλο στην λειτουργία του δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης διαδραματίζει η μονάδα τροφοδοσίας ισχύος. Η συγκεκριμένη μονάδα υποστηρίζει ολόκληρη την πειραματική εγκατάσταση. Η επίτευξη διαφορετικών δυνάμεων πρόσκρουσης έγκειται στον πλήρη έλεγχο της ηλεκτρικής τάσης στην έξοδο της μονάδας, μέσω ενός αυτομετασχηματιστή. Επίσης, ολόκληρη η πειραματική διαδικασία ελέγχεται και εποπτεύεται μέσω της μονάδας ελέγχου. Η συγκεκριμένη μονάδα απαρτίζεται από έναν προσωπικό υπολογιστή (PC) εφοδιασμένο με έναν ελεγκτή PID (αναλογικός, διαφορικός, ολοκληρωτικός). Η χρήση του παραπάνω ελεγκτή κρίνεται απαραίτητη, δεδομένου ότι με την βοήθεια του εκκινεί και τερματίζει η διαδικασία του πειράματος καθώς και ρυθμίζει την ένταση του ρεύματος εξόδου στον αυτομετασχηματιστή μέσω ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος (DC), ώστε να υπάρχει δυνατότητα μέτρησης της δύναμης κρούσης, της έντασης του ρεύματος και της θερμοκρασίας εντός του δοκιμαστηρίου. Η πειραματική διαδικασία υποστηρίζεται από ανάλογο λογισμικό για τον προσδιορισμό της αντοχής της επικάλυψης σε κόπωση με την μορφή διαγραμμάτων Smith και Woehler, μέσω ενός πλήρους αυτόματου λογισμικού, του ITEC, το οποίο διατίθεται μαζί με το δοκιμαστήριο. Το συγκεκριμένο λογισμικό στηρίζεται στην προσομοίωση του πειράματος με την βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων (FEM). Σχήμα 5.1: Η αρχή λειτουργίας του δοκιμαστηρίου και η FEM προσομοίωση του πειράματος

47 5. Μηχανισμοί έναρξης αστοχίας επικαλύψεων στην πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση σε διάφορες γωνίες Όπως ήδη αναφέρθηκε, κατά την ολοκλήρωση του πειράματος, λόγω της πλαστικής παραμόρφωσης που εξελίσσεται στην φάση της φόρτισης, έχουμε την δημιουργία ενός κοίλου αποτυπώματος. Το συγκεκριμένο αποτύπωμα χρησιμοποιείται για την ποσοτικοποίηση του βαθμού στον οποίο η επικάλυψη έχει αστοχήσει. Συγκεκριμένα, η έκταση της αστοχίας στο αποτύπωμα της κρούσης περιγράφεται με το λόγο επιφάνειας αστοχίας FR, ο οποίος ορίζεται ως το πηλίκο της επιφάνειας όπου το υπόστρωμα έχει αποκαλυφθεί προς την συνολική επιφάνεια επαφής (βλ. σχήμα 5.2). Για τον προσδιορισμό του λόγου FR χρησιμοποιείται το αυτόματο λογισμικό WEPROC. Το συγκεκριμένο λογισμικό επεξεργάζεται τα χρώματα των μικροφωτογραφιών του Σαρωτικού Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου (SEM) και ειδικά τις φωτογραφίες τύπου back scatter. Κατ αυτές, τα υλικά και ειδικά τα ξεχωριστά στρώματα που βρίσκονται στην επιφάνεια εμφανίζονται με διαφορετικά χρώματα. Χρησιμοποιώντας έτσι, την ανάλυση της πυκνότητας των χρωμάτων, μπορούμε να προσδιορίσουμε το ποσοστό της επιφάνειας των στρωμάτων της επικάλυψης και τελικά να υπολογίσουμε τον λόγο επιφάνειας αστοχίας. Επίσης, ο συγκεκριμένος αλγόριθμος εκτελεί την ανάλυση της πυκνότητας των χρωμάτων εντός του αποτυπώματος και τα αποτελέσματα απεικονίζονται στο διάγραμμα συχνότητας χρώματος. Παράλληλα, τα αποτελέσματα καταγράφονται σε λίστα. Για τις περιπτώσεις αυτές, το εύρος των χρωμάτων που αντιστοιχούν σε κάθε στρώμα προσδιορίζεται μέσω ανάλυσης EDX στην περιοχή του κύκλου επαφής. Η δοκιμή πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης αποτελεί μια επέκταση του δοκιμαστηρίου που περιγράφεται στις παραπάνω σελίδες. Σύμφωνα με αυτή, η κρούση δεν γίνεται πλέον κάθετα σε μια επιφάνεια ενός επικαλυμμένου δοκιμίου, αλλά υπό συγκεκριμένη κλίση. Αυτό είναι δυνατόν να επιτευχθεί είτε με ειδική διαμόρφωση του εξεταζόμενου δοκιμίου, είτε με την κατασκευή κατάλληλης ιδιοσυσκευής. Και στις δύο περιπτώσεις, πετυχαίνουμε την ταυτόχρονη άσκηση κάθετης και εφαπτομενικής φόρτισης με αποτέλεσμα την σύγχρονη ενεργοποίηση μηχανισμών φθοράς της επικάλυψης, που έχουν σχέση τόσο με την συνάφεια όσο και με την συνοχή. Σχήμα 5.2: Προσδιορισμός της επιφάνειας αστοχίας της επικάλυψης εντός του αποτυπώματος μέσω του αλγορίθμου WEPROC

48 5. Μηχανισμοί έναρξης αστοχίας επικαλύψεων στην πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση σε διάφορες γωνίες Συγκεκριμένα, αναλύοντας την πρώτη περίπτωση, είναι δυνατόν να παραχθούν ειδικά διαμορφωμένα επικαλυμμένα δοκίμια, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την μελέτη των ιδιοτήτων των επικαλύψεων υπό την ταυτόχρονη ενεργοποίηση των μηχανισμών συνεκτικής και συναφειακής φθοράς. Στο σχήμα 5.3α απεικονίζεται η μορφή αυτών, αλλά και η ανάλυση της δύναμης κρούσης σε μια κάθετη ως προς την κεκλιμένη επιφάνεια F n και σε μια εφαπτομενική F t. Η δεύτερη περίπτωση, η οποία και ως επί το πλείστον χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν κατά την παρούσα εργασία, έγκειται στην κατασκευή κατάλληλης ιδιοσυσκευής συγκράτησης. Η παραπάνω ιδιοσυσκευή απεικονίζεται στο σχήμα 5.3β. Για την επίτευξη των πειραμάτων κατασκευάστηκαν ιδιοσυσκευές για διάφορες τιμές των γωνιών θ. Στο διάγραμμα του σχήματος 5.4 παρατηρείται η μεταβολή τόσο την ρυθμιζόμενης δύναμης, όσο και της εφαπτομενικής σε περίπτωση όπου επιθυμείται η κάθετη δύναμη ως προς την κεκλιμένη επιφάνεια να είναι σταθερή. Πρακτικά η δύναμη που μπορεί να μετρηθεί κατά τη διάρκεια του πειράματος είναι η κατακόρυφη δύναμη, λόγω της φύσης του πιεζοηλεκτρικού μετρητικού του δοκιμαστηρίου, το οποίο μπορεί να παραλάβει και να μετρήσει δυνάμεις μόνο προς μια συγκεκριμένη διεύθυνση. Για αυτό το λόγο είναι σκόπιμη η ανάλυση της κατακόρυφης δύναμης κρούσης σε δυο συνιστώσες, σε μια κάθετη προς την επιφάνεια του δοκιμίου F n και σε μια εφαπτομενική F t. Οι συνιστώσες των δυνάμεων για διάφορες τιμές της γωνίας θ απεικονίζονται στο διάγραμμα του σχήματος 5.5 συναρτήσει της γωνίας κλίσης θ /71/. Σχήμα 5.3: α) Διαμόρφωση επικαλυμμένου δοκιμίου β) Ιδιοσυσκευή συγκράτησης του επικαλυμμένου δοκιμίου

49 5. Μηχανισμοί έναρξης αστοχίας επικαλύψεων στην πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση σε διάφορες γωνίες Αναμφίβολα, η τιμή της εφαπτομενικής συνιστώσας F t είναι σχετικά μικρή για γωνίες έως και 15 μοιρών, εντούτοις είναι ικανή να δημιουργήσει έντονα φαινόμενα συναφειακής φθοράς της επικάλυψης, όπως θα περιγραφεί και στα επόμενα κεφάλαια. Σχήμα 5.4: Διάγραμμα μεταβολής εμφανιζόμενων δυνάμεων συναρτήσει της γωνίας θ Σχήμα 5.5: Κάθετη και εφαπτομενική συνιστώσα της εφαρμοζόμενης δύναμης κρούσης

50 5. Μηχανισμοί έναρξης αστοχίας επικαλύψεων στην πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση σε διάφορες γωνίες 5.2. Πεδίο τάσεων που αναπτύσσεται σε επικαλύψεις με διαφορετική συναφειακή αντοχή κατά την δοκιμή πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Μέχρι σήμερα, το δοκιμαστήριο είχε χρησιμοποιηθεί ως δοκιμή της συνάφειας και της συνοχής της επικάλυψης. Η συναφειακή αντοχή στην διεπιφάνεια του υποστρώματος είχε περιγραφεί μέσω υπολογισμών με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιώντας κατάλληλα στοιχεία επαφής. Στην περίπτωση ενός υπερλειασμένου υποστρώματος σκληρομετάλλου, με αυξημένη περιεκτικότητα επιφανειακά σε Co και ασθενή συνάφεια της επικάλυψης, η αστοχία της επικάλυψης εμφανίστηκε σε διακριτές περιοχές εντός της περιφέρειας του αποτυπώματος. Από την άλλη μεριά, στην περίπτωση καλής συνάφειας, επιτευγμένης μέσω μικροκοκκοβολής σε 5 bar, βρέθηκε μια αυξημένη συνάφεια και η πρώτη αστοχία της επικάλυψης εμφανίστηκε στην εγγύτερη περιοχή του κρατήρα του αποτυπώματος. Είναι σαφές ότι τα παραπάνω χαρακτηριστικά συνάφειας της επικάλυψης οδήγησαν στα διαφορετικά είδη της φθοράς της επικάλυψης. Αυτά ήταν δυνατό να προσδιοριστούν μέσω υπολογισμών, με την χρήση της προαναφερθείσας προσομοίωσης. Τα αποτελέσματα των παραπάνω υπολογισμών οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι, η θέση της μέγιστης εμφανιζόμενης τάσης για το ερευνούμενο σύστημα επικάλυψης υποστρώματος μετατοπίστηκε στην περίπτωση ασθενούς συνάφειας από την περιφέρεια προς το κέντρο του κρατήρα /17/. Όλα τα παραπάνω είχαν ως απόρροια την μελέτη της κατανομής των τάσεων στην επικάλυψη που εμφανίζεται κατά την δοκιμή της επαναλαμβανόμενης κρούσης, στην περίπτωση που εφαρμόζεται ταυτόχρονα κάθετη και εφαπτομενική φόρτιση, δεδομένου ότι έτσι το αποτέλεσμα της αστοχίας λόγω της ασθενούς συνάφειας θα ήταν πιο διακριτό. Επιδιώκοντας λεπτομερέστερο προσδιορισμό του πεδίου τάσεων που αναπτύσσεται κατά την δοκιμή της επαναλαμβανόμενης κρούσης για διαφορετική συναφειακή αντοχή και διαφορετικές τιμές της γωνίας κλίσης θ, έγινε χρήση ενός τρισδιάστατου μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων (βλ. σχήμα 5.6) με το οποίο προσομοιώθηκε η κρούση του σφαιρικού εισβολέα πάνω στην επικαλυμμένη επιφάνεια υπό γωνία κρούσης θ. Στο μοντέλο αυτό επιδιώχθηκε η πλήρης παραμετροποίηση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των σωμάτων που συμμετέχουν, ώστε να μπορεί να επιλυθεί για γωνίες κρούσης θ όπως αυτές έχουν οριστεί μέχρι 45 μοιρών. Το μοντέλο αποτελείται από δύο ξεχωριστά σώματα, ένα τμήμα του σφαιρικού εισβολέα και το σύστημα επικάλυψης-υποστρώματος. Τα στοιχεία της επικάλυψης με αυτά του υποστρώματος έχουν κοινούς κόμβους με αποτέλεσμα να μην επιτρέπεται η σχετική ολίσθηση μεταξύ επικάλυψης και υποστρώματος καθώς και η διείσδυση του ενός υλικού στο άλλο. Οι συνολικοί βαθμοί ελευθερίας του μοντέλου επιδιώχθηκε να

51 5. Μηχανισμοί έναρξης αστοχίας επικαλύψεων στην πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση σε διάφορες γωνίες κρατηθούν σε χαμηλό επίπεδο αρχικά, ώστε να μειωθεί αισθητά ο χρόνος επίλυσης εις βάρος της ακρίβειας υπολογισμού των τάσεων και των μικροπαραμορφώσεων των κόμβων. Η επαφή μεταξύ του σφαιρικού εισβολέα και της επικάλυψης επιτυγχάνεται με τη χρήση ειδικών στοιχείων επαφής (contact elements) που μπορούν να εφαρμοστούν στο λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε /97/, τα οποία δεν επιτρέπουν τη διείσδυση των κόμβων του ενός σώματος στο άλλο. Για την επίτευξη της μη διείσδυσης εφαρμόζεται στον εισβάλλοντα κόμβο μια προσαύξηση στη δύναμη απώθησης που ελέγχεται από μια σταθερά ελατηρίου ανηγμένη στην επιφάνεια επιρροής του κόμβου, δηλαδή σε μονάδες N/mm 3. Τα πλεονεκτήματα του μοντέλου αυτού είναι ότι η ακτίνα του κύκλου επαφής και η κατανομή της πίεσης που ασκείται από τον σφαιρικό εισβολέα προκύπτουν από την επίλυση και δεν χρειάζεται να καθοριστούν από τον χρήστη. Ιδιαίτερη προσοχή συνιστάται στη σωστή εκλογή της σταθεράς ελατηρίου των στοιχείων επαφής. Πολύ χαμηλή τιμή προκαλεί ανακριβή αποτελέσματα, ενώ πολύ μεγάλη τιμή καθιστά αδύνατη την επίλυση του μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων. Η επίλυση του μοντέλου γίνεται βηματικά δίνοντας μικρές τιμές στην κατακόρυφη μετατόπιση του σφαιρικού εισβολέα προς την επικάλυψη. Αυτή η τεχνική δίνει τη δυνατότητα να εξετασθεί η επικάλυψη σε ενδιάμεσα στάδια φόρτισης, δηλαδή σε διαφορετικές δυνάμεις κρούσεις, το οποίο επιτυγχάνεται με μία μόνο επίλυση. Στο μοντέλο αυτό λήφθηκαν υπόψη οι ιδιότητες των υλικών της επικάλυψης, του υποστρώματος και της σφαίρας σκληρομετάλλου, καθώς και η διαρκής ανανέωση του μητρώου στιβαρότητας και της γεωμετρίας των σωμάτων σε κάθε βήμα επίλυσης, ώστε να λαμβάνονται υπόψη οι παραμορφώσεις μεγάλης κλίμακας των πεπερασμένων στοιχείων. Σχήμα 5.6: Τρισδιάστατο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων για την προσομοίωση της δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης

52 5. Μηχανισμοί έναρξης αστοχίας επικαλύψεων στην πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση σε διάφορες γωνίες Με τη βοήθεια του μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων που εξελίχθηκε, είναι εφικτή μια σύγκριση μεταξύ των πεδίων τάσεων που αναπτύσσονται στην εγγύτερη περιοχή της επαφής μεταξύ της σφαίρας του σκληρομετάλλου και του επικαλυμμένου δοκιμίου για διαφορετικές γωνίες κλίσης. Τα αποτελέσματα αυτής της σύγκρισης είναι απαραίτητα, δεδομένου ότι θα βοηθήσουν στην κατανόηση του τρόπου μεταβολής της μέγιστης ισοδύναμης τάσης von Mises σε σχέση με την γωνία κλίσης κατά την δοκιμή της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης. Στο σχήμα 5.7 απεικονίζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν από την FEM προσομοίωση, η οποία πραγματοποιήθηκε για τέσσερις περιπτώσεις, για γωνίες ως προς το επίπεδο της κρούσης 0, 5, 10 και 15 μοιρών. Η μέγιστη ισοδύναμη τάση von Mises που προκύπτει για ένα σταθερό φορτίο κρούσης αυξάνεται ανάλογα με την γωνία κλίσης. Έτσι θα εμφανιστεί μια πρόωρη αστοχία της επικάλυψης λόγω κόπωσης και ταυτόχρονα θα παρουσιαστεί εντονότερη αφαίρεση των λεπτών στρωμάτων της. Σχήμα 5.7: Πεδίο τάσεων κατά την δοκιμή πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης, όπως προκύπτει από το 3D FEM μοντέλο

53 5. Μηχανισμοί έναρξης αστοχίας επικαλύψεων στην πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση σε διάφορες γωνίες Σχήμα 5.8 : Διάγραμμα Woehler της εξεταζόμενης επικάλυψης και οι προκύπτουσες τάσεις κατά την πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση. Προκειμένου να είναι δυνατή μια σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων που προκύπτουν από την δοκιμή της πλάγιας και της κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης, στο σχήμα 5.8α παρουσιάζεται το διάγραμμα Woehler του δοκιμίου που χρησιμοποιήθηκε. Αυτό προέκυψε μέσω της κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης για την περίπτωση ενός επικαλυμμένου δοκιμίου με καλές ιδιότητες συνάφειας. Σύμφωνα με το διάγραμμα αυτό, η τάση διαρκούς αντοχής είναι 3,1 Gpa. Έτσι, η επικάλυψη μπορεί να λειτουργήσει κάτω από αυτό το όριο τάσης για περισσότερο από ένα εκατομμύριο κρούσεις, το οποίο αντιστοιχεί σε δύναμη κρούσης χαμηλότερη από 420 N. Οι προκύπτουσες ισοδύναμες κατά von Mises τάσεις κατά την διάρκεια της δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης για διάφορες δυνάμεις κρούσης και συναρτήσει της γωνίας κλίσης παρουσιάζονται στο σχήμα 5.8β. Οι τάσεις αυτές προσδιορίστηκαν μέσω της τρισδιάστατης προσομοίωσης με την βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων της πλάγιας κρούσης. Η σταθερή αύξηση της προκύπτουσας ισοδύναμης τάσης συναρτήσει της γωνίας κλίσης είναι πιο έντονη για μεγαλύτερα φορτία κρούσης Έναρξη αστοχίας της επικάλυψης και διάδοση της αφαίρεσης της κατά τη δοκιμή της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Το κυριότερο αποτέλεσμα της τοπικής υπερφόρτισης εξαιτίας της υπερβολικής εφαπτομενικής σχετικής κίνησης του σφαιρικού εισβολέα ως προς της επιφάνεια της επικάλυψης είναι η διάδοση της αφαίρεσης της επικάλυψης /12,24/. Συγκεκριμένα παρατηρώντας το σχήμα 5.9α, το

54 5. Μηχανισμοί έναρξης αστοχίας επικαλύψεων στην πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση σε διάφορες γωνίες οποίο απεικονίζει την κίνηση αυτή μέσω της προσομοίωσης πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης, στο κέντρο του κύκλου επαφής παρατηρείται ολική απομάκρυνση της επικάλυψης λόγω των πολύ έντονων σχετικών μικροπαραμορφώσεων τοπικά στην περιοχή, καθώς σε αυτές τις θέσεις επιτυγχάνεται αρχικά η επαφή μεταξύ του σφαιρικού εισβολέα και της επικάλυψης. Επίσης, αναμένεται μια προχωρημένη αφαίρεση του στρώματος της επικάλυψης στην κάτω πλευρά της περιοχής του κύκλου επαφής. Στην περιοχή αυτή εμφανίζεται εντονότερη σχετική κίνηση μεταξύ του σφαιρικού εισβολέα και της επικάλυψης /71/. Ως απόδειξη των παραπάνω συλλογισμών μπορούν να θεωρηθούν οι μικροφωτογραφίες του Σαρωτικού Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου (σχήμα 5.9β) που τραβήχτηκαν στην πάνω και στην κάτω περιοχή της επαφής, ενός δοκιμίου στο οποίο εφαρμόστηκε πείραμα με κατακόρυφη δύναμη κρούσης 200 Ν για 10 5 κρούσεις υπό γωνία κλίσης 15 μοιρών. Εμφανής είναι η διάφορα των δυο περιοχών, όπου στην κάτω πλευρά του αποτυπώματος το στρώμα της επικάλυψης έχει αφαιρεθεί σχεδόν ολοκληρωτικά, εξαιτίας των οξύτερων σχετικών εφαπτομενικών κινήσεων της σφαίρας στην περιοχή αυτή, σε σχέση με την επάνω περιοχή, όπου θα μπορούσε να χαρακτηριστεί από μία πιο εξομαλυμένη απομάκρυνση της επικάλυψης. Σχήμα 5.9: Oι σχετικές κινήσεις μεταξύ σφαιρικού εισβολέα και επιφάνειας της επικάλυψης οι σχετικές μικροφωτογραφίες του SEM

55 5. Μηχανισμοί έναρξης αστοχίας επικαλύψεων στην πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση σε διάφορες γωνίες 5.4. Έναρξη αστοχίας συνοχής στην επικάλυψη κατά τη δοκιμή της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Αρχικά κατασκευάστηκαν κατάλληλες ιδιοσυσκευές, σε διάφορες γωνίες κλίσης π.χ. για 5, 10 και 15 μοίρες, όπως αυτές περιγράφθηκαν σε προηγούμενη ενότητα, και πραγματοποιήθηκαν πειράματα κρούσης σε γωνία κλίσης 5 μοιρών και δύναμη κρούσης 380 Ν. Στο σχήμα 5.10α απεικονίζονται διάφορες μικρογραφίες αποτυπωμάτων που προέκυψαν κατά την δοκιμή της πλάγιας επαναλαμβανόμενης. Κατ αυτές παρατηρούμε την σταδιακή εξέλιξη της φθοράς μέσω της αποκάλυψης του υποστρώματος. Συγκεκριμένα, η συνεχόμενη αφαίρεση του στρώματος επικάλυψης έπειτα από τις πρώτες 2x10 5 κρούσεις είναι εύκολο να παρατηρηθεί στις εν λόγω μικροφωτογραφίες, οι οποίες προέκυψαν με την βοήθεια του Ηλεκτρονικού Σαρωτικού Μικροσκοπίου (SEM). Με την βοήθεια του αλγόριθμου WEPROC /25/, είναι δυνατόν να υπολογιστεί ο λόγος αστοχίας επιφάνειας FR για κάθε φάση της διαδικασίας αστοχίας. Στο διάγραμμα του σχήματος 5.10β απεικονίζεται η διάδοση της αστοχίας εντός του αποτυπώματος σε συνάρτηση με τον αριθμό κρούσεων. Όπως εύκολα παρατηρείται, έπειτα από 10 6 κρούσεις έχει επιτευχθεί μια σχετική αφαίρεση του στρώματος της επικάλυψης κατά 80%. Σύμφωνα με το διάγραμμα του σχήματος Σχήμα 5.10: Μικροφωτογραφίες αποτυπωμάτων κατά την πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση με δύναμη κρούσης 380 Ν και γωνία κλίσης 5 μοιρών

56 5. Μηχανισμοί έναρξης αστοχίας επικαλύψεων στην πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση σε διάφορες γωνίες Σχήμα 5.11: Διάδοση αφαίρεσης της επικάλυψης για διάφορα φορτία κρούσης σε γωνία κλίσης 5 μοιρών 5.8α, το φορτίο που ασκήθηκε παραπάνω και είναι ίσο με 380 Ν, δεν οδηγεί σε αστοχία της επικάλυψης ύστερα από ένα εκατομμύριο κρούσεις για την περίπτωση της κάθετης κρούσης. Όμοια πειράματα και επεξεργασία αυτών μέσω της παραπάνω διαδικασίας έγιναν και για περισσότερες δυνάμεις κρούσης. Συγκεκριμένα, εφαρμόστηκαν φορτίσεις ίσες με 200 Ν και 450 Ν, σε γωνία κλίσης και πάλι 5 μοιρών. Στο σχήμα 5.11 απεικονίζεται ένα διάγραμμα του λόγου αστοχίας επιφανείας FR συναρτήσει του αριθμού κρούσεων, το οποίο απεικονίζει ταυτόχρονα και τις τρεις περιπτώσεις. Σύμφωνα με το διάγραμμα, η διάδοση της αφαίρεσης του στρώματος της επικάλυψης είναι εντονότερη σε μεγαλύτερες δυνάμεις κρούσης. Κάτι τέτοιο είναι αποτέλεσμα των εντονότερων τάσεων που εμφανίζονται κατά την διάρκεια της δοκιμής στις περιπτώσεις μεγάλων δυνάμεων κρούσης. Ωστόσο, θα ήταν παράλειψη να μην τονιστεί και ο μεγαλύτερος ρυθμός μεταβολής του λόγου αστοχίας επικάλυψης FR σε σχέση με τον αριθμό των κρούσεων που εμφανίζεται καθώς αυξάνεται το φορτίο κρούσης κατά την δοκιμή. Έτσι για ίδιο αριθμό κρούσεων, αυξάνοντας την δύναμη κρούσης αναμένεται δυσανάλογη αύξηση της τιμής του λόγου αστοχίας επικάλυψης FR Χαρακτηρισμός της συνάφειας της επικάλυψης με την βοήθεια της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Όπως έχει ήδη αναφερθεί, όσο αυξάνεται η γωνία κλίσης, αυξάνεται και η εφαπτομενική συνιστώσα της δύναμης κρούσης. Με την αύξηση όμως της τελευταίας, επηρεάζεται ανάλογα και η έναρξη της αστοχίας αλλά και η αφαίρεση της επικάλυψης. Προκειμένου να περιγραφεί το παραπάνω φαινόμενο, πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε δυο περιπτώσεις επικάλυψης, τόσο σε μια καλής συνάφειας, δηλαδή σε περίπτωση επικαλυμμένου δοκιμίου όπου το υπόστρωμα

57 5. Μηχανισμοί έναρξης αστοχίας επικαλύψεων στην πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση σε διάφορες γωνίες σκληρομετάλλου του είχε υποστεί λείανση όσο και σε μια κακής συνάφειας, δηλαδή ενός επικαλυμμένου δοκιμίου όπου το υπόστρωμα σκληρομετάλλου του είχε υποστεί στίλβωση /17/. Οι διαφορετικές συνάφειες που προκύπτουν για κάθε περίπτωση οφείλονται στις διαφορετικές τιμές της τραχύτητας του υποστρώματος που προκύπτουν για κάθε επιφανειακή κατεργασία και στην διαφορετική τιμή του ποσοστού κοβαλτίου Co που εμφανίζεται στην επιφάνεια του κάθε υποστρώματος. Αναφέρεται ότι αύξηση του ποσοστού κοβαλτίου Co στην επιφάνεια του υποστρώματος οδηγεί σε χειροτέρευση των συναφειακών ιδιοτήτων, εξαιτίας της μειωμένης σκληρότητας που αυτό εμφανίζει. Τα πειράματα διεξήχθησαν υπό γωνία κλίσης 10 μοιρών και για μια σχετικά μικρή δύναμη στην τιμή των 200 Ν. Στο σχήμα 5.12α απεικονίζονται ορισμένες μικρογραφίες των αποτυπωμάτων όπως αυτές προέκυψαν μέσω του Ηλεκτρονικού Σαρωτικού Μικροσκοπίου (SEM). Με την βοήθεια των παραπάνω μικροφωτογραφιών και του αλγόριθμου WEPROC, κατασκευάζεται το διάγραμμα του ρυθμού αφαίρεσης της επικάλυψης σε συνάρτηση του αριθμού των κρούσεων, που απεικονίζεται στο σχήμα 5.12β. Εύκολα παρατηρείται, η μεγαλύτερη αντοχή της επικάλυψης που χαρακτηρίζεται από καλή συνάφεια κατά την εφαρμογή φορτίων και ο μικρότερος ρυθμός αφαίρεσης συγκρινόμενης με την επικάλυψη κακής συνάφειας. Σχήμα 5.12: α) Μικροφωτογραφίες αποτυπωμάτων κατά την πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση με δύναμη κρούσης 20 daν και γωνία κλίσης 10 μοιρών β) Διάδοση αφαίρεσης της επικάλυψης

58 5. Μηχανισμοί έναρξης αστοχίας επικαλύψεων στην πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση σε διάφορες γωνίες Προκειμένου να επιτευχθεί ένας ασφαλέστερος προσδιορισμός της συνάφειας των επικαλύψεων, πραγματοποιήθηκαν παρόμοια πειράματα για διάφορες γωνίες κλίσης και σε διάφορες δυνάμεις κρούσης. Σε όλες τις περιπτώσεις επιδιώχθηκε ο χαρακτηρισμός των επικαλύψεων, όσον αφορά την έναρξη της αστοχίας, το ρυθμό αφαίρεσης του στρώματος της επικάλυψης και τον προσδιορισμό του ποσοστού αφαίρεσης της σε σχέση με την περιοχή επαφής. Στο σχήμα 5.13 επιδιώκεται μια σύγκριση μεταξύ των αντίστοιχων ρυθμών αφαίρεσης της επικάλυψης συναρτήσει του αριθμού κρούσεων και για διάφορες γωνίες κλίσης. Στα διάφορα διαγράμματα του σχήματος απεικονίζεται η σχέση μεταξύ του λόγου αστοχίας επικάλυψης σε συνάρτηση με τον αριθμό κρούσεων, για διάφορες γωνίες και δυνάμεις κρούσης. Εύκολα προκύπτει το συμπέρασμα ότι υπάρχει μια σημαντική απόκλιση στις αντίστοιχες πορείες του ρυθμού αφαίρεσης της επικάλυψης, για τις δυο περιπτώσεις συνάφειας. Εμφανέστατη είναι η χειρότερη συμπεριφορά που παρουσιάζει το δοκίμιο κακής συνάφειας. Επιπλέον, μπορεί να παρατηρηθεί ότι η έναρξη και ο ρυθμός επέκτασης της αστοχίας της επικάλυψης αυξάνονται απότομα με αύξηση της γωνίας κρούσης θ. Εν προκειμένω, η αστοχία της επικάλυψης προκαλείται σε πολύ μικρότερη δύναμη και αριθμούς κρούσεων σε σχέση με τα αντίστοιχα μεγέθη της κάθετης κρούσης. Ενώ στην κάθετη κρούση η συγκεκριμένη επικάλυψη μπορεί να αντισταθεί σε φορτίο 420 Ν για περίπου ένα εκατομμύριο κρούσεις (10 6 ), όπως έχει ήδη δειχθεί στο διάγραμμα Woehler της επικάλυψης, στην πλάγια κρούση σε γωνίες 10 και 15 μοιρών, η έναρξη της αστοχίας της μπορεί να προκληθεί σε δυνάμεις μόλις 200 Ν έπειτα από μόλις εκατό χιλιάδες κρούσεις (10 5 ). Το πλεονέκτημα που προκύπτει με την πλάγια κρούση σε αυτό το σημείο είναι ότι με την κατάλληλη εκλογή πειραματικών συνθηκών, είναι δυνατό να επιτευχθεί αστοχία της επικάλυψης πολύ γρήγορα και να ελεγχθεί όσο το δυνατόν καλύτερα ο ρυθμός φθοράς της. Στο επάνω μέρος του σχήματος παρουσιάζεται διάγραμμα για μεγαλύτερη δύναμη, και συγκεκριμένα για 380 Ν. Δεδομένου ότι στην περίπτωση αυτή τα δημιουργούμενα τασικά πεδία είναι μεγαλύτερα και η ισοδύναμη τάση ξεπερνάει το όριο διαρκούς αντοχής της επικάλυψης, ο ρυθμός αφαίρεσης του στρώματος της επικάλυψης είναι πολύ μεγαλύτερος, ακόμα και για τη μικρή τιμή της γωνίας κλίσης των 5 μοιρών. Στα διαγράμματα που απεικονίζονται στο σχήμα αποδεικνύεται ότι το δοκίμιο με την επικάλυψη κακής συνάφειας υστερεί σε μεγάλο βαθμό σε σχέση με εκείνο της καλής συνάφειας, σε ότι αφορά τον ρυθμό αφαίρεσης του στρώματος της επικάλυψης. Προκειμένου να ποσοτικοποιηθεί το μέγεθος της αφαίρεσης της επικάλυψης με κακή συνάφεια για μια συγκεκριμένη γωνία κλίσης, μέγιστη δύναμη κρούσης και αριθμό κρούσεων, σε σύγκριση

59 5. Μηχανισμοί έναρξης αστοχίας επικαλύψεων στην πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση σε διάφορες γωνίες Σχήμα 5.13: Σύγκριση της απόδοσης επικαλύψεων καλής και κακής συνάφειας μέσω της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης

60 5. Μηχανισμοί έναρξης αστοχίας επικαλύψεων στην πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση σε διάφορες γωνίες με τον αντίστοιχο ρυθμό για επικάλυψη καλής συνάφειας, είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθεί το μέγεθος Συνάφεια Επικάλυψης σε Κρούση (CIA). Το μέγεθος αυτό, όταν οι πειραματικές συνθήκες διατηρούνται σταθερές, μπορεί να χαρακτηρίσει συγκριτικά δύο ή περισσότερες επικαλύψεις ως προς τη συνάφειά τους. Η σύγκριση αυτή βασίζεται στην οπτική παρατήρηση του λόγου αστοχίας FR μέσω του αλγορίθμου WERPOC (βλ. σχήμα 5.2). Όπως φαίνεται και από τα διαγράμματα του σχήματος 5.13, στην περίπτωση όπου η γωνία είναι ίση με 15 μοίρες, δύναμη 200 Ν και οι κρούσεις 10 5 η CIA ισούται με 40%, ενώ στην περίπτωση της ίδιας δύναμης κρούσης, τον ίδιο αριθμό κρούσεων με γωνία κλίσης 10 μοιρών, το αντίστοιχο μέγεθος είναι 20%. Τέλος, μελετήθηκαν οι ιδιότητες των επικαλύψεων με τη βοήθεια της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης, μέσω των ειδικά διαμορφωμένων δοκιμίων, όπως αυτά αναφέρθηκαν παραπάνω, προκειμένου να διερευνηθεί η συμπεριφορά της συνάφειας των επικαλύψεων σε μεγαλύτερες γωνίες κλίσης. Συγκεκριμένα, έχοντας μια ειδική διαμόρφωση, η οποία οδηγούσε σε δοκιμή πλάγιας κρούσης υπό γωνία κλίσης 45 μοιρών, πραγματοποιήθηκαν πειράματα για τον προσδιορισμό χαρακτηριστικών των ιδιοτήτων της επικάλυψης του. Στο σχήμα 5.14 απεικονίζονται χαρακτηριστικά αποτυπώματα που προέκυψαν. Κατά τα αποτελέσματα αυτά είναι εμφανής η εκτεταμένη φθορά των επικαλύψεων των δοκιμίων για όλες τις εφαρμοζόμενες δυνάμεις κρούσης. Ως κύρια αιτία μπορεί να θεωρηθεί η μεγάλη τιμή της εφαπτομενικής συνιστώσας της δύναμης κρούσης η οποία παράγει εντονότατα προβλήματα συνάφειας. Ταυτόχρονα, εξαιτίας της μεγάλης τιμής της γωνίας κλίσης στη συγκεκριμένη περίπτωση, έχουμε υπερβολική εφαπτομενική σχετική κίνηση της σφαίρας ως προς την επιφάνεια της επικάλυψης, η οποία όπως εξηγήθηκε σε προηγούμενη ενότητα, οδηγεί σε μια ταχύτερη αφαίρεση της επικάλυψης. Στο σημείο αυτό πρέπει να αναφερθεί, ότι η αξιοπιστία των συγκεκριμένων αποτελεσμάτων ενδέχεται να έχει επηρεαστεί από την επεξεργασία της αρχικής μορφής των πλακιδίων. Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω, τα συγκεκριμένα πλακίδια έχουν υποστεί κάποια κατεργασίας κοπής, προκειμένου να επιτευχθεί το κατάλληλο σχήμα για την πραγματοποίηση της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης. Η επεξεργασία αυτή ίσως είναι σε θέση να επηρεάσει αρνητικά την διαδικασία της δοκιμής, λόγω της απόκλισης των επιφανειών των δοκιμίων από την πραγματική τους μορφή

61 5. Μηχανισμοί έναρξης αστοχίας επικαλύψεων στην πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση σε διάφορες γωνίες Σχήμα 5.14 : Χαρακτηριστικά αποτυπώματα πειραμάτων σε ειδικά διαμορφωμένα δοκίμια κατά την πλάγια επαναλαμβανόμενη κρούση

62 6. Ποσοτικοποίηση της συνάφειας επικαλύψεων μέσω του δοκιμαστηρίου πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης 6. Ποσοτικοποίηση της συνάφειας επικαλύψεων μέσω της δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης με τη χρήση της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων Σε κάθε εφαρμογή των επικαλύψεων, η ελάχιστη απαίτηση για αποδεκτή συμπεριφορά ενός επικαλυμμένου συστήματος πρέπει να είναι ένα επαρκές επίπεδο συνάφειας επικάλυψηςυποστρώματος. Έτσι, είναι απαραίτητη μια απλή και ταυτόχρονα αξιόπιστη μέθοδος δοκιμασίας και αξιολόγησης της συνάφειας που το ιδανικό θα ήταν να είναι σχετική με την εκάστοτε εφαρμογή της επικάλυψης /5/. Η συναφειακή αντοχή στην διεπιφάνεια επικάλυψης - υποστρώματος έχει περιγραφεί στην βιβλιογραφία /17/, μέσω μιας προσομοίωσης πεπερασμένων στοιχείων της κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης, με τη χρήση κατάλληλων στοιχείων επαφής /97/. Με τον τρόπο αυτό, η συνεισφορά της συνάφειας της επικάλυψης στο εξελισσόμενο πεδίο τάσεων κατά τη διάρκεια της κρούσης και κατά συνέπεια στον τρόπο αστοχίας της κατέστη δυνατό να εξηγηθεί θεωρητικά. Σύμφωνα με αυτούς τους υπολογισμούς και σχετικά πειραματικά αποτελέσματα, η θέση της επιφανειακής μέγιστης ισοδύναμης τάσης, κατά τη διάρκεια της κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης, μετατοπίστηκε από την εγγύτερη περιοχή του κρατήρα προς το κέντρο του, στην περίπτωση μιας κακής συνάφειας επικάλυψης με το υπόστρωμα /99/. Πάραυτα, η κρίσιμη δύναμη κόπωσης, δηλαδή το μέγιστο φορτίο για αποφυγή αστοχίας της επικάλυψης έπειτα από ένα εκατομμύριο κρούσεις, παρέμεινε πρακτικά ανεπηρέαστο. Η παραπάνω εξάρτηση παρακίνησε στον επιπλέον επηρεασμό της κατανομής της τάσης κατά τη διάρκεια του πειράματος επαναλαμβανόμενης κρούσης, με σκοπό να αποδοθεί καθαρότερα η συνεισφορά της συνάφειας στην αστοχία της επικάλυψης λόγω κρούσης, με την ταυτόχρονη εφαρμογή κάθετων και εφαπτομενικών φορτίων /71/. Για να γίνει δυνατή αυτή η αποστολή, το πείραμα της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης (inclined impact test) καθώς και δοκιμές χάραξης (scratch test) εφαρμόστηκαν στην ίδια επικάλυψη TiAlN, εναποθετημένη σε υποστρώματα σκληρομετάλλου διαφορετικής συνάφειας, λόγω των διαφορετικών επιφανειακών μηχανικών προετοιμασιών /98/. Με αυτό τον τρόπο επηρεάστηκε η συγκράτηση της επικάλυψης από το υπόστρωμα, καθώς και η έναρξη της αστοχίας της και επίσης ο ρυθμός αποδόμησής της. Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα που προέκυψαν, εξελίχθηκε μια μέθοδος αξιολόγησης και επιπλέον μέσω διαδικασιών βασισμένων στη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (FEM) για την περιγραφή των επιφανειακών φορτίσεων κατά τη διάρκεια της πλάγιας κρούσης, η συναφειακή αντοχή της επικάλυψης ποσοτικοποιήθηκε με τη βοήθεια του λόγου στιβαρότητας της συνισταμένης επαφής (CSR), όπως θα εξηγηθεί παρακάτω. Επιπλέον, θα επιδειχθεί η

63 6. Ποσοτικοποίηση της συνάφειας επικαλύψεων μέσω του δοκιμαστηρίου πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης δυνατότητα συγκριτικού χαρακτηρισμού της συνάφειας μέσω της Συνάφειας Επικάλυψης σε Κρούση (CIA) και αυτό το μέγεθος θα συσχετιστεί με το λόγο στιβαρότητας επαφής (CSR) και την απόδοση στην κοπή φραιζαρίσματος μέσω του αριθμού κοπών (NC) Χαρακτηριστικά υλικών επικαλύψεων και υποστρωμάτων Οι καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης της επικάλυψης (Ti 46 Al 54 )N πάχους 3,5 μm και του υποστρώματος σκληρομετάλλου που εφαρμόστηκαν στη διερεύνηση καθορίστηκαν μέσω αξιολόγησης αποτελεσμάτων νανοδιεισδύσεων, με χρήση του αλγορίθμου SSCUBONI /88,99,100/, όπως φαίνεται στο σχήμα 6.1α. Τα μέτρα ελαστικότητας Ε καθώς και το όριο διαρροής S y και θραύσης S max των υλικών εκτίθενται στον πίνακα στο κάτω μέρος του σχήματος. Τα δεδομένα αυτά χρησιμοποιήθηκαν περαιτέρω για να καθοριστεί η διαρκής αντοχή της επικάλυψης από το λογισμικό ITEC+. Τα διαγράμματα Smith και Woehler της επικάλυψης δείχνονται στο σχήμα 6.1β. Μετά ταύτα, το όριο διαρκούς αντοχής της επικάλυψης είναι περίπου 2.8 GPa. Σχήμα 6.1: (α) Επιφανειακές μηχανικές ιδιότητες αντοχής επικάλυψης και υποστρώματος (β) Ιδιότητες διαρκούς αντοχής της εφαρμοσμένης επικάλυψης

64 6. Ποσοτικοποίηση της συνάφειας επικαλύψεων μέσω του δοκιμαστηρίου πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Σχήμα 6.2: (α) Επιφανειακές προκατεργασίες υποστρωμάτων που εφαρμόστηκαν (β) Χαρακτηριστικά τραχύτητας σε κάθε περίπτωση κατεργασίας υποστρώματος. Οι μηχανικές επιφανειακές κατεργασίες που εφαρμόστηκαν στα υποστρώματα σκληρομετάλλου για την επίτευξη διαφορετικών δεσμών συνάφειας με την επικάλυψη πριν την εναπόθεση εκτίθενται στο σχήμα 6.2α. Εν προκειμένω, εφαρμόστηκαν λειασμένα, στιλβωμένα και μικροκοκκοβολημένα υποστρώματα, σύμφωνα με τα δεδομένα του κατασκευαστή, όπως αυτά φαίνονται στο σχήμα. Οι αντίστοιχες χαρακτηριστικές παράμετροι της τραχύτητας για κάθε περίπτωση υποστρώματος έχουν καταχωρηθεί στον πίνακα του σχήματος 6.2β. Λαμβάνοντας υπόψη δημοσιευμένες εργασίες /98/, η χειρότερη συνάφεια αναμένεται στην περίπτωση του στιλβωμένου (p) υποστρώματος, ενώ η καλύτερη από όλες εμφανίζεται στην περίπτωση του στιλβωμένου και μετέπειτα μικροκοκκοβολημένου (p+b) υποστρώματος Πειραματικές δοκιμές χάραξης και πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Η επιρροή των διάφορων κατεργασιών των υποστρωμάτων στη συνάφεια της επικάλυψης με το υπόστρωμα διερευνήθηκε αρχικά με τη δοκιμή χάραξης βηματικά μέχρι τη δύναμη των 100 Ν σε όλα τα δοκίμια που είχαν επικαλυφθεί με την ίδια PVD επικάλυψη. Μετά το πέρας των δοκιμών αυτών, σε όλες τις περιπτώσεις διαφορετικών επιφανειακών κατεργασιών των υποστρωμάτων δεν παρατηρήθηκε σημαντική αστοχία στις εφαρμοσμένες δυνάμεις, όπως φαίνεται στο σχήμα 6.3. Οι περιορισμένες μικροθραύσεις της επικάλυψης στην εγγύτερη περιοχή των ιχνών χάραξης στην περίπτωση του λειασμένου (g) υποστρώματος εμφανίστηκαν λόγω τοπικών υπερφορτίσεων σε κορυφές τραχύτητας. Έτσι είναι προφανές ότι οι διαφορές στη συνάφεια που βρέθηκαν στην βιβλιογραφία /98/ δεν μπορούν να εντοπιστούν μέσω της δοκιμής χάραξης

65 6. Ποσοτικοποίηση της συνάφειας επικαλύψεων μέσω του δοκιμαστηρίου πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Σχήμα 6.3: Αποτελέσματα δοκιμής χάραξης στα επικαλυμμένα με TiAlN δοκίμια, με τις διάφορες επιφανειακές προκατεργασίες υποστρωμάτων. Η δοκιμή πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης εφαρμόστηκε για να διευκολύνει τον χαρακτηρισμό της συνάφειας των επικαλύψεων που εναποτέθηκαν σε αυτά τα υποστρώματα με τις διάφορες επιφανειακές προκατεργασίες. Κατάλληλα φορτία κρούσης έπρεπε να επιλεχθούν για να μειωθεί η διάρκεια των πειραμάτων και ταυτόχρονα να επιτευχθούν ρυθμοί αποδόμησης των επικαλύψεων τέτοιοι, ώστε να καταγράφετε αποτελεσματικά η εξέλιξη των φθορών των επικαλύψεων. Για τους λόγους αυτούς, πειράματα έγιναν αρχικά στο καλύτερης συνάφειας από τα υπόλοιπα στιλβωμένο και μικροκοκκοβολημένο δοκίμιο (p+b), επικαλυμμένο με την ίδια επικάλυψη PVD TiAlN. Το μέγεθος της αστοχίας της επικάλυψης εντός του αποτυπώματος της δοκιμής περιγράφεται με το λόγο αστοχίας επιφάνειας FR, που ορίζεται ως ο λόγος της επιφάνειας που αποκαλύφθηκε το υπόστρωμα προς τη συνολική επιφάνεια του αποτυπώματος. Ο λόγος αυτός υπολογίζεται αυτόματα μέσω αξιολόγησης μικροφωτογραφιών του Σαρωτικού Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου από το λογισμικό WEPROC /24/. Η αστοχία της επικάλυψης επιβεβαιώθηκε σε κάθε περίπτωση μέσω αναλύσεων EDX, από τις οποίες δηλώνεται η αποκάλυψη στοιχείων του υποστρώματος. Τα αποτελέσματα που εξήχθησαν και φαίνονται στο σχήμα 6.4α παρουσιάζουν ότι η καλής συνάφειας επικάλυψη που χρησιμοποιήθηκε υπερφορτίζεται ως προς την κόπωση σε γωνία κλίσης 15 0 και σε φορτίο κρούσης μεγαλύτερο από περίπου 140 Ν, το οποίο αντιστοιχεί στην κρίσιμη τάση κόπωσης των 2.8 GPa. Τα αποτελέσματα αυτά προήλθαν από υπολογισμούς

66 6. Ποσοτικοποίηση της συνάφειας επικαλύψεων μέσω του δοκιμαστηρίου πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης FEM του εξελισσόμενου πεδίου τάσεων στην περιοχή του αποτυπώματος κατά τη διάρκεια της πλάγιας κρούσης, όπως αυτό θα περιγραφεί σε επόμενο κεφάλαιο. Όπως αναμενόταν, η επικάλυψη αντέχει σε ένα εκατομμύριο κρούσεις, δηλαδή κατέχει μια χρονικά περιορισμένη αντίσταση σε κόπωση σε μεγαλύτερες δυνάμεις κρούσεις (βλ. σχήμα 6.4β). Σε δυνάμεις μεγαλύτερες από 140 Ν, η μέγιστη ισοδύναμη τάση στην περιοχή επαφής μεταξύ του σφαιρικού εισβολέα και του επικαλυμμένου δοκιμίου υπερβαίνει την κρίσιμη για κόπωση των 2.8 GPa και η Σχήμα 6.4: Απόδοση στην κεκλιμένη επαναλαμβανόμενη κρούση ενός TiAlN επικαλυμμένου πλακιδίου σκληρομετάλλου καλής συνάφειας, για διάφορες δυνάμεις κρούσης και αριθμούς κρούσεων

67 6. Ποσοτικοποίηση της συνάφειας επικαλύψεων μέσω του δοκιμαστηρίου πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης εξέλιξη της αστοχίας στην επικάλυψη επιταχύνεται λόγω του αυξημένου φορτίου κρούσης. Ο λόγος αστοχίας FR για παράδειγμα στη δύναμη των 200 Ν ανέρχεται σε 15% έπειτα από 200x10 3 κρούσεις, ενώ για τον ίδιο αριθμό κρούσεων σε φορτίο 300 Ν ανέρχεται σε περίπου 75%. Το φαινόμενο αυτό εκτίθεται στις καμπύλες του σχήματος 6.4γ. Λαμβάνοντας υπόψη αυτές τις εξαρτήσεις, η υπερ-κρίσιμη για κόπωση δύναμη των 200 Ν επιλέχθηκε για την αποτελεσματική καταγραφή της εξέλιξης της αστοχίας της επικάλυψης σε πειράματα μικρής συνολικής διάρκειας, μέχρι 200x10 3 κρούσεις. Με τον τρόπο αυτό, οι αναμενόμενοι λόγοι αστοχίας της επικάλυψης, στη χειρότερη περίπτωση συνάφειας, είναι μεγαλύτεροι από 15% έπειτα από 200x10 3 κρούσεις και η εξέλιξη είναι δυνατό να εντοπιστεί γρήγορα και να καταγραφεί με ακρίβεια ακόμα και στην περίπτωση της χειρότερης συνάφειας του στιλβωμένου (p) υποστρώματος, όπου ο ρυθμός αποδόμησης έχει επιταχυνθεί. Για να ποσοτικοποιηθεί η επίδραση των διάφορων κατεργασιών του υποστρώματος στην συνάφεια της επικάλυψης, εξετάστηκαν λειασμένα, στιλβωμένα και μικροκκοβολημμένα υποστρώματα (βλ. σχήμα 6.2) μέσω της δοκιμής κεκλιμένης επαναλαμβανόμενης κρούσης, όλα επικαλυμμένα με την ίδια PVD επικάλυψη. Ο λόγος αστοχίας της επικάλυψης FR σε συνάρτηση με τον αριθμό κρούσεων, στα αντίστοιχα πειράματα, καταδεικνύεται στο σχήμα 6.5. Τα επικαλυμμένα κοπτικά πλακίδια που υποβλήθηκαν σε μικροκοκκοβολή αντιστέκονται αποτελεσματικότερα στις εφαρμοζόμενες φορτίσεις και έχουν πιο αργό ρυθμό αύξησης του λόγου αστοχίας FR. Επιπλέον, η αφαίρεση της επικάλυψης στο κακής συνάφειας στιλβωμένο πλακίδιο έχει την πιο έντονη διάδοση αστοχίας, λόγω μειωμένης μηχανικής πρόσφυσης μεταξύ επικάλυψης και υποστρώματος /98/. Το επικαλυμμένο πλακίδιο με μικροκοκκοβολημμένο και στιλβωμένο υπόστρωμα επιδεικνύει την υψηλότερη αντίσταση σε φθορά. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνονται από τις μικροφωτογραφίες του Σαρωτικού Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου (SEM), ύστερα από 100x10 3 και 200x10 3 κρούσεις, που βρίσκονται στο κάτω μέρος του σχήματος 6.5. Η εκκίνηση της θραύσης της επικάλυψης λαμβάνει χώρα έπειτα από περίπου των αριθμό κρούσεων που αναγράφεται στον πίνακα στο δεξί πάνω μέρος του σχήματος 6.5, εξαρτώμενη από την μηχανική επιφανειακή κατεργασία του υποστρώματος. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που προέκυψαν, είναι φανερό ότι η κατάλληλη εκλογή του υπερ-κρίσιμου φορτίου για κόπωση των 200 Ν διευκόλυνε την καταγραφή της έναρξης και της εξέλιξης της αστοχίας της επικάλυψης, με επαρκή ακρίβεια σε όλες τις περιπτώσεις που εξετάστηκαν

68 6. Ποσοτικοποίηση της συνάφειας επικαλύψεων μέσω του δοκιμαστηρίου πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Σχήμα 6.5: Απόδοση TiAlN επικαλυμμένων δοκιμίων με διαφορετικές επιφανειακές προετοιμασίες των υποστρωμάτων στην κεκλιμένη επαναλαμβανόμενη κρούση 6.3. Καθορισμός του πεδίου τάσεων κατά τη διάρκεια της πλάγιας κρούσης στα επικαλυμμένα δοκίμια Η προσομοίωση FEM της πλάγιας κρούσης παρουσιάζεται στο σχήμα 6.6. Αρχικά δημιουργήθηκε ένα τρισδιάστατο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων, με στερεή διεπιφάνεια επικάλυψης υποστρώματος, λαμβάνοντας υπόψη της ελαστικές πλαστικές μηχανικές ιδιότητες της επικάλυψης, του υποστρώματος, και της σφαίρας - διεισδυτή. Το μοντέλο αυτό αποτελεί εξέλιξη προηγούμενου μοντέλου (βλ. σχήμα 5.6) και τα χαρακτηριστικά του είναι παρόμοια. Σε αυτό το νέο μοντέλο δόθηκε ουσιαστική προσοχή στην ακρίβεια επίλυσης, μέσω της αυξημένης πυκνότητας του πλέγματος των πεπερασμένων στοιχείων ώστε οι τάσεις που θα προέκυπταν να είναι όσο το δυνατόν ακριβέστερες

69 6. Ποσοτικοποίηση της συνάφειας επικαλύψεων μέσω του δοκιμαστηρίου πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Σχήμα 6.6: Η τρισδιάστατη προσομοίωση πεπερασμένων στοιχείων της πλάγιας κρούσης, χρησιμοποιώντας στοιχεία επαφής για την περιγραφή της συνάφειας επικάλυψηςυποστρώματος. Χρησιμοποιώντας το μοντέλο αυτό, προσδιορίστηκαν τα αναπτυσσόμενα φορτία μεταξύ της σφαίρας και της επιφάνειας της επικάλυψης, τα οποία εξαρτώνται από το φορτίο κρούσης και τη γωνία κλίσης. Αυτά τα κάθετα και εφαπτομενικά φορτία εφαρμόστηκαν έπειτα σε ένα παρόμοιο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων, στο οποίο οι κοινοί κόμβοι που υπήρχαν στη διεπιφάνεια επικάλυψης και υποστρώματος αντικαταστάθηκαν με κατάλληλα στοιχεία επαφής, όπως φαίνεται στο τρίτο από αριστερά σκαρίφημα του σχήματος 6.6. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται κυρίως στην προσομοίωση της επαφής μεταξύ δύο στερεών σωμάτων, για τον εμποδισμό της διείσδυσης του ενός στο άλλο /97/. Τα στοιχεία επαφής χαρακτηρίζονται από την κάθετη cs n και την εφαπτομενική cs t στιβαρότητα. Η εφαπτομενική στιβαρότητα είναι συνήθως ανάλογη με την κάθετη, με λόγο τον συντελεστή τριβής της διεπιφάνειας /97/. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, ο λόγος στιβαρότητας επαφής CSR της εφαπτομενικής στιβαρότητας cs t προς την κάθετη cs n εφαρμόστηκε για τον χαρακτηρισμό της συνάφειας στην διεπιφάνεια επικάλυψηςυποστρώματος. Οι υφιστάμενες, κατά τη διάρκεια της κεκλιμένης κρούσης, ισοδύναμες τάσεις κατά von Mises συναρτήσει του λόγου στιβαρότητας επαφής, στην περίπτωση δύναμης κρούσης 200 N, στις γωνίες 0 και 15 0 δείχνονται στο σχήμα 6.7. Οι υπολογισμοί FEM διεξήχθησαν για δύο περιπτώσεις λόγου στιβαρότητας επαφής CSR, μία ιδανικής συνάφειας με λόγο στιβαρότητας επαφής CSR ίσο με 1 και μία ανεπαρκούς συνάφειας για λόγο στιβαρότητας επαφής CSR ίσο με Η κάθετη στιβαρότητα επαφής cs n των στοιχείων επαφής που χρησιμοποιήθηκαν θεωρήθηκε περίπου 3.8x10 9 N/mm 3, η οποία πρακτικά τείνει στο άπειρο, μέσω της μεθόδου «δοκιμής και σφάλματος», με σκοπό να επιτευχθεί το ίδιο πεδίο τάσεων, κατά τη φάση της φόρτισης στη δοκιμή πλάγιας κρούσης, όπως στην περίπτωση συγκολλημένης (rigid) διεπιφάνειας επικάλυψης υποστρώματος, ενώ παράλληλα να μην επιτρέπεται καθόλου διείσδυση του ενός σώματος στο άλλο

70 6. Ποσοτικοποίηση της συνάφειας επικαλύψεων μέσω του δοκιμαστηρίου πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Σχήμα 6.7: Κατανομή ισοδύναμης τάσης στην επικάλυψη κατά την κάθετη και την πλάγια κρούση σε μια περίπτωση ιδανικής και μια ανεπαρκούς συνάφειας και επιρροή του λόγου στιβαρότητας επαφής στη μέγιστη αναπτυσσόμενη ισοδύναμη τάση στην κάθετη και την πλάγια κρούση

71 6. Ποσοτικοποίηση της συνάφειας επικαλύψεων μέσω του δοκιμαστηρίου πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Ο λόγος στιβαρότητας επαφής δεν έχει καμία επίδραση στην υφιστάμενη ισοδύναμη τάση στην δοκιμή κάθετης κρούσης όπως φαίνεται στο σχήμα 6.7. Στην πλάγια κρούση, η μείωση του λόγου στιβαρότητας επαφής καταλήγει σε μη γραμμική αύξηση της μέγιστης ισοδύναμης τάσης. Η αύξηση αυτή γίνεται εντονότερη με την αύξηση της γωνίας κλίσης. Τα παραπάνω αποτελέσματα υποδεικνύουν ότι η συνάφεια της επικάλυψης επηρεάζει την μέγιστη υφιστάμενη ισοδύναμη τάση στην πλάγια κρούση και κατά συνέπεια την έναρξη και εξέλιξη της καταστροφής της επικάλυψης. Ως εκ τούτου, η συνάφεια της επικάλυψης εξαρτάται έντονα από την προετοιμασία του υποστρώματος, καθώς με κατάλληλες μεθόδους, όπως η μικροκοκκοβολή, μπορούν να μεταβληθούν οι χαρακτηριστικές παράμετροι της τραχύτητας που μπορούν να επηρεάσουν την μηχανική πρόσφυση της επικάλυψης με το υπόστρωμα Ποσοτικοποίηση της συνάφειας στα επικαλυμμένα δοκίμια Για να ποσοτικοποιηθεί η συνεισφορά των επιφανειακών προετοιμασιών των επικαλυμμένων δοκιμίων στην αστοχία λόγω κόπωσης των επικαλύψεων και κατά συνέπεια στο λόγο στιβαρότητας επαφής CSR, χρησιμοποιήθηκε η μέγιστη αναπτυσσόμενη ισοδύναμη τάση στην πλάγια κρούση, για πειραματικές συνθήκες γωνία κλίσης 15 0 και φορτίο κρούσης 200 Ν. Η μέγιστη ισοδύναμη τάση που οδηγεί σε έναρξη θραύσης στην επικάλυψη λόγω κόπωσης καθορίστηκε με τον τρόπο που επιδεικνύεται στο σχήμα 6.8. Ο αριθμός κρούσεων που σχετίζεται με την έναρξη αστοχίας στην επικάλυψη εντοπίστηκε πειραματικά για κάθε περίπτωση προετοιμασίας υποστρώματος (όπως έχει ήδη εξηγηθεί στο σχήμα 6.5) Το διάγραμμα Woehler της επικάλυψης δημιουργήθηκε με τη μέθοδο που παρουσιάζεται στη βιβλιογραφία /10/. Επιπλέον εφαρμόστηκε το διάγραμμα της αναπτυσσόμενης ισοδύναμης τάσης συναρτήσει του λόγου στιβαρότητας επαφής, όπως αυτό δημιουργήθηκε στο σχήμα 6.7. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα αυτά, οι επικαλύψεις σε υποστρώματα κακής συνάφειας φορτίζονται πιο έντονα, συγκριτικά με αυτές των αντίστοιχων υποστρωμάτων καλής συνάφειας, όταν ασκούνται ταυτόχρονα εφαπτομενικές φορτίσεις στη διεπιφάνεια επικάλυψηςυποστρώματος. Λόγος στιβαρότητας επαφής CSR της τάξης του 0.1, που δημιουργείται με την στίλβωση και μετέπειτα μικροκοκκοβολή του εφαρμοζόμενου υποστρώματος σκληρομετάλλου, που βρίσκεται κοντά σε λόγο ιδανικής συνάφειας (CSR=1), δημιουργεί υπερφόρτιση της τάξης μόλις 3%. Αντίθετα, στην περίπτωση κακής σύμφυσης ενός απλώς στιλβωμένου υποστρώματος με λόγο στιβαρότητας επαφής CSR μικρότερο από 0.01, οι υπερφορτίσεις μπορεί να υπερβούν και το 20%. Παραδείγματος χάρη, σε λόγο CSR ίσο με επιτυγχάνεται υπερφόρτιση περίπου 53%. Με τον τρόπο αυτό, σε προσομοιώσεις FEM επικαλυμμένων συστημάτων, η συνεισφορά της συνάφειας της επικάλυψης στις φορτίσεις που μπορεί αυτή να

72 6. Ποσοτικοποίηση της συνάφειας επικαλύψεων μέσω του δοκιμαστηρίου πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης δεχτεί, μπορεί να περιγραφεί με τη χρήση κατάλληλων στοιχείων επαφής, που κατέχουν δηλαδή στιβαρότητες που είναι δυνατό να καθοριστούν με τις διαδικασίες που περιγράφηκαν. Σχήμα 6.8: (α) Καθορισμός του λόγου στιβαρότητας επαφής, λαμβάνοντας υπόψη τον αριθμό κρούσεων που οδηγούν σε έναρξη αστοχίας της επικάλυψης. (β) Αύξηση μέγιστης ισοδύναμης τάσης von Mises συναρτήσει του λόγου στιβαρότητας επαφής για όλες τις περιπτώσεις προετοιμασίας του υποστρώματος

73 6. Ποσοτικοποίηση της συνάφειας επικαλύψεων μέσω του δοκιμαστηρίου πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Σχήμα 6.9: Σύγκριση της απόδοσης στην κεκλιμένη επαναλαμβανόμενη κρούση των εξεταζόμενων δοκιμίων μέσω του μεγέθους Συνάφεια Επικάλυψης σε Κρούση. Τα δεδομένα αυτά μπορούν βεβαίως να χρησιμοποιηθούν περαιτέρω, για παράδειγμα στην προσομοίωση FEM της φορτισμένης κοπτικής ακμής, ώστε να συμπεριληφθεί η επιρροή της συνάφειας στη διάδοση της φθοράς επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων κατά το φραιζάρισμα. Τα μεγέθη της διαφοράς μεταξύ των επιμέρους βαθμιδών συνάφειας επικάλυψης υποστρώματος και της καλής συνάφειας του στιλβωμένου και μικροκοκκοβολημμένου πλακιδίου, το οποίο θεωρήθηκε αναφοράς, εικονογραφείται στο σχήμα 6.9. Μετά ταύτα η Συνάφεια Επικάλυψης σε Κρούση (CIA) χρησιμοποιήθηκε για τον χαρακτηρισμό της προαναφερθείσας διαφοράς, για δεδομένη γωνία κλίσης, δύναμης κρούσης και αριθμού κρούσεων /71/. Το CIA ανέρχεται σε 20% για το λειασμένο και μικροκοκκοβολημμένο υπόστρωμα, συγκριτικά με το υπόστρωμα αναφοράς. Η διαφορά του λόγου αστοχίας της επικάλυψης FR αυξάνεται σε 30%, στην περίπτωση λειασμένου υποστρώματος, σε σύγκριση με το αναφοράς, και σε 50% για την περίπτωση του στιλβωμένου υποστρώματος. Με τον τρόπο αυτό, η συναφειακή αντοχή μπορεί να χαρακτηριστεί συγκριτικά Συσχετισμός του λόγου στιβαρότητας επαφής με την συμπεριφορά στην κοπή Η δυναμική της ποσοτικοποίησης της συνάφειας της επικάλυψης για κάθε περίπτωση προετοιμασίας υποστρώματος, δίνει τη δυνατότητα να επιτευχθεί συσχετισμός μεταξύ του λόγου στιβαρότητας επαφής CSR και του αριθμού κοπών ως την φθορά επιφάνειας ελευθερίας 0,2 mm NC VB0,2 καθώς και του λόγου απομένουσας επιφάνειας χωρίς αστοχία (1-FR). Είναι

74 6. Ποσοτικοποίηση της συνάφειας επικαλύψεων μέσω του δοκιμαστηρίου πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης αξιοσημείωτο ότι προκύπτει σχεδόν ταυτόσημη συμπεριφορά μεταξύ αυτών των τριών μεγεθών, όπως φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 6.10: Συσχετισμός μεταξύ απόδοσης κοπής φραιζαρίσματος, λόγου απομένουσας επιφάνειας χωρίς αστοχία και λόγου στιβαρότητας επαφής στις διάφορες περιπτώσεις προετοιμασίας υποστρώματος

75 7.Προσδιορισμός αντοχής σε μικροαπόξεση επικαλύψεων μέσω της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης 7. Προσδιορισμός της αντοχής σε μικροαπόξεση PVD επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε χαμηλά ως προς την κόπωση φορτία κρούσης 7.1. Μικροαπόξεση στη δοκιμασία κάθετης κρούσης. Πριν την ανάλυση της δοκιμασίας πλάγιας πρόσκρουσης, θεωρείται σκόπιμη μια αναφορά σε παλαιότερη μελέτη σχετικά με τη δοκιμασία κάθετης πρόσκρουσης /10,12/. Στα πλαίσια αυτής της μελέτης έγιναν πειράματα κάθετης πρόσκρουσης στην επικάλυψη (Ti 46 Al 54 )N από τα οποία μπορούν να εξαχθούν χρήσιμα συμπεράσματα. Έτσι γίνεται εφικτή και η σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων των δυο δοκιμασιών. Οι χαρακτηριστικές μηχανικές ιδιότητες της επικάλυψης που εφαρμόστηκε έχουν ήδη παρουσιαστεί σε προηγούμενο κεφάλαιο (βλ. σχήμα 6.1). Στις SEM μικροφωτογραφίες του σχήματος 7.1α φαίνονται τα αποτυπώματα της δοκιμής κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης για διαφορά φορτία πρόσκρουσης και διάφορους αριθμούς κρούσεων. Η επικάλυψη είχε σχεδόν αφαιρεθεί στη δύναμη κρούσης 430 Ν υστέρα από ένα εκατομμύριο (10 6 ) κρούσεις. Αυτό το φορτίο είναι υψηλότερο από το κρίσιμο για αντοχή σε κόπωση των 400 Ν όπως φαίνεται στο διάγραμμα Woehler του σχήματος 7.1β. Επιπλέον περιορισμένες αστοχίες της επικαλύψεως μπορούν να παρατηρηθούν σε φορτίο 400 Ν, ίσο με αυτό της διαρκούς αντοχής σε κόπωση, που βρίσκονται στη περιοχή μεγάλης τάσης κοντά στη περιφέρεια του κρατήρα. Η αστοχία του φιλμ μπορεί να εντοπιστεί από EDX μικροανάλυση που παρουσιάζεται στο σχήμα 7.1α. Στις περιοχές αστοχίας του φιλμ βρεθήκαν στοιχεία από το υλικό υποστρώματος σκληρομετάλλου όπως W (βολφράμιο) και Co (κοβάλτιο). Η επικάλυψη είναι ανθεκτική για ένα θεωρητικά άπειρο αριθμό κρούσεων όταν φορτίζεται λιγότερο από την κρίσιμη τάση για κόπωση η οποία εν προκείμενω είναι 2,8GPa. Όπως φαίνεται στην αντίστοιχη SEM μικροφωτογραφία του σχήματος 7.1α σε φορτίο 300 Ν που αντιστοιχεί σε μέγιστη ισοδύναμη τάση του φιλμ περίπου 2,2 GPa δεν υπάρχει αστοχία του φιλμ μέχρι είκοσι εκατομμύρια (2x10 7 ) κρούσεις.(βλ. λεπτομέρεια Α του σχήματος 7.1α). Στο σχήμα 7.1γ φαίνεται η επίδραση της επιφανειακής τραχύτητας στην αύξηση της τάσης σε σχέση με το φορτίο κρούσης /23/. Αν η αυξημένη τάση υπερβεί την μηχανική αντοχή της επικάλυψης τότε επέρχεται αστοχία του φιλμ. Στην παρούσα μελέτη η φθορά της επικάλυψης δεν επηρεάζεται από τις τοπικές αστοχίες, λόγω της χαμηλής τραχύτητας των δοκιμίων, όπως φαίνεται στο σχήμα. Τελικά προκύπτει ότι το φαινόμενο της μικροαπόξεσης είναι αμελητέο στη δοκιμασία κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης

76 7.Προσδιορισμός αντοχής σε μικροαπόξεση επικαλύψεων μέσω της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Σχήμα 7.1: (α) Χαρακτηριστικά αποτυπώματα από την δοκιμασία κάθετης πρόσκρουσης. (β) Συσχετισμός των αναπτυσσόμενων τάσεων με τον αριθμό κρούσεων για τα πειράματα που διεξήχθησαν. (γ) Επιρροή της τραχύτητας στην αύξηση της τάσης συναρτήσει και του φορτίου κρούσης. Σύμφωνα με τα παραπάνω, μέσω της δοκιμασίας κάθετης επαναλαμβανόμενης κρουσης δεν γίνεται να προκύψει αστοχία στην ασφαλή περιοχή γιατί οι μικροκινήσεις μεταξύ των επιφανειών του πλακιδίου και της σφαίρας είναι πολύ μικρές

77 7.Προσδιορισμός αντοχής σε μικροαπόξεση επικαλύψεων μέσω της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης 7.2. Συνθήκες της επαφής κατά τη διάρκεια της πλάγιας πρόσκρουσης Η επαφή μεταξύ του σφαιρικού εισβολέα και της επιφάνειας του δοκιμιού περιγράφεται από FEM προσομοίωση της δοκιμασίας όπως αυτή παρουσιάζεται στο σχήμα 7.2α. Το μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιήθηκε για την περίπτωση αυτή έχει ήδη παρουσιαστεί σε προηγούμενο κεφάλαιο (βλ. σχήματα 5.6 και 6.6). Φθορά μικροαπόξεσης της επικάλυψης μπορεί να συμβεί στο κέντρο της κυκλικής επιφάνειας επαφής, λόγω των συγκριτικά έντονων σχετικών εφαπτομενικών κινήσεων των σημείων του σφαιρικού εισβολέα με την επικάλυψη στην περιοχή αυτή (βλ. σχήμα 7.2β). Η ουσιαστική διαφορά στις εφαπτομενικές κινήσεις που παρατηρούνται είναι ότι τα σημεία ελέγχου που βρίσκονται μακρύτερα από το κέντρο της επιφάνειας επαφής έρχονται σε επαφή όταν ήδη ο σφαιρικός εισβολέας έχει παραμορφώσει κατά μεγάλο ποσοστό το υπόστρωμα στο κέντρο του κύκλου επαφής. Η επαφή μεταξύ της σφαίρας και της επιφανείας της επικάλυψης χαρακτηρίζεται από ταυτόχρονα κάθετες και εφαπτομενικές σχετικές μετατοπίσεις οι οποίες ολοκληρώνονται σε λιγότερο από 1 ms για την συχνότητα 50 Ηz των κρούσεων. Επιπλέον η αναπτυσσομένη επιφανειακή τάση λόγω των ασκούμενων δυνάμεων κρούσης φτάνει σε μερικά GPa, όπως φαίνεται στο σχήμα 7.2γ. Σχήμα 7.2: (α) Συνθήκες επαφής κατά τη διάρκεια της δοκιμασίας πλάγιας πρόσκρουσης (β) Κατανομή σχετικής εφαπτομενικής μετατόπισης στις επιφάνειες επαφής. (γ) Εφαπτομενική μετατόπιση και δύναμη κρούσης συναρτήσει της μετατόπισης του εισβολέα σε διαφορετικές θέσεις του αποτυπώματος

78 7.Προσδιορισμός αντοχής σε μικροαπόξεση επικαλύψεων μέσω της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Σχήμα 7.3: Αντοχή σε κόπωση της επικάλυψης και συσχετισμός με τη μέγιστη ισοδύναμη τάση για διάφορα φορτία πρόσκρουσης συναρτήσει της γωνίας κλίσης. Η έναρξη της αστοχίας της επικάλυψης λόγω κόπωσης στην κεντρική περιοχή υψηλών τάσεων του αποτυπώματος μπορεί να προβλεφθεί από το διάγραμμα Woehler και τις τοπικές μέγιστες ισοδύναμες τάσεις για διάφορες δυνάμεις και γωνιές κλίσης όπως εξηγείται στο σχήμα 7.3. Συμφωνά με τα αποτελέσματα αυτά η επικάλυψη μπορεί να λειτουργήσει χωρίς αστοχία για ένα εκατομμύριο κρούσεις (10 6 ) όταν φορτίζεται λιγότερο από την κρίσιμη τάση για κόπωση των 2,8 GPa. Επομένως για μια επικάλυψη καλής συνάφειας μπορεί να αποφευχθεί τελείως η αστοχία λόγω κόπωσης, για παράδειγμα σε γωνία κλίσης 15 0 για δυνάμεις πρόσκρουσης μικρότερες από περίπου 140 Ν. Με τη βοήθεια τέτοιων διαγραμμάτων μπορούν να καθοριστούν κατάλληλες πειραματικές συνθήκες δηλαδή γωνία κλίσης και φορτίο κρούσης ώστε να αποφευχθεί η ταυτόχρονη συνεισφορά φαινόμενων κόπωσης στην αστοχία της επικάλυψης Διερεύνηση της φθοράς της επικάλυψης λόγω μικροαπόξεσης μέσω της δοκιμασίας πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης χωρίς λίπανση Τα πειραματικά αποτελέσματα που εκτίθενται στο σχήμα 7.4 επαληθεύουν την ήδη δηλωμένη συνθήκη, ότι η επικάλυψη επιδεικνύει αντοχή σε κόπωση σε γωνιά κλίσης 15 0 και για δυνάμεις κρούσης μικρότερες από 140 Ν καθώς για ένα εκατομμύριο(10 6 ) κρούσεις στα εφαρμοζόμενα φορτία 140 Ν και 80 Ν δεν συμβαίνει αστοχία του φιλμ. Επιπροσθέτως, αστοχία στην επικάλυψη εμφανίζεται υστέρα από μόλις μισό εκατομμύριο κρούσεις για την δύναμη 200 Ν,

79 7.Προσδιορισμός αντοχής σε μικροαπόξεση επικαλύψεων μέσω της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης υπερκρίσιμη όσον αφορά την κόπωσή της. Αντιθέτως, η επικάλυψη αστοχεί και στα δυο φορτία 140 Ν και 80 Ν σε περισσότερες από 10 6 κρούσεις λόγω μηχανισμών μικροαπόξεσης. Η επικάλυψη αφαιρείται στην κεντρική περιοχή του αποτυπώματος εξαιτίας των εντόνων σχετικών μικροκινήσεων μεταξύ σφαίρας και επιφάνειας επικάλυψης, όπως έχει ήδη εξηγηθεί στο σχήμα 4. Στη λεπτομέρεια Α του σχήματος 7.4 μπορεί να παρατηρηθεί ότι για το υποκρίσιμο φορτίο κρούσης των 80 Ν η μικροδιάβρωση της επικάλυψης οδηγεί σε μείωση της τραχύτητας και σε περιορισμένη αφαίρεση του φιλμ στη κεντρική περιοχή του αποτυπώματος έπειτα από δυο εκατομμύρια (2x10 6 ) κρούσεις. Η αστοχία της επικάλυψης σε υπερκρίσιμα και υποκρίσιμα φορτία εξηγείται καλυτέρα μέσω του σχήματος 7.5. Για το φορτίο κρούσης των 80 Ν, μικρότερο από το κρίσιμο φορτίο κόπωσης, η προαναφερθείσα περιορισμένη αστοχία του φιλμ εξελίσσεται περίπου στο κέντρο του αποτυπώματος έπειτα από δυο εκατομμύρια (2x10 6 ) κρούσεις (βλ. σχήμα 7.5α). Στην περίπτωση αυτή η επικάλυψη αφαιρείται αργά λόγω του αργού ρυθμού εξέλιξης φαινόμενων μικροδιάβρωσης. Η αστοχία αυτή όπως αναμενόταν εμφανίζεται κοντά στο κέντρο του αποτυπώματος, καθώς σε αυτή τη θέση οι αντίστοιχες επιφανειακές τάσεις έχουν την μέγιστη τιμή τους, όπως προβάλλει καθαρά ο σχετικός FEM υπολογισμός. Σχήμα 7.4: Χαρακτηριστικά αποτυπώματα πειραμάτων κεκλιμένης επαναλαμβανόμενης κρούσης χωρίς λίπανση

80 7.Προσδιορισμός αντοχής σε μικροαπόξεση επικαλύψεων μέσω της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Σχήμα 7.5: Αποτυπώματα πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης και σχετικά πεδία τάσεων σε υπερ- και υπο-κρίσιμα φορτία πρόσκρουσης Αντιθέτως για το υπερκρίσιμο φορτίο των 200 Ν υστέρα από εκατό χιλιάδες (10 5 ) κρούσεις η επικάλυψη αφαιρείται λόγω κόπωσης(βλ. σχήμα 7.5β). Η πρώτη αστοχία εμφανίζεται στην υψηλής τάσης κεντρική περιοχή του αποτυπώματος οπού εξελίσσεται μια τοπική τάση 3,24 GPa, μεγαλύτερη από την κρίσιμη για κόπωση των 2,8 GPa. Το παραπάνω επαληθεύεται με τον αντίστοιχο FEM υπολογισμό των επιφανειακών τάσεων στο σχήμα. Επιπλέον λόγω του περιορισμένου αριθμού κρούσεων η φθορά μικροδιάβρωσης είναι αμελητέα και η τραχύτητα εντός του αποτυπώματος παραμένει αμετάβλητη Διερεύνηση της φθοράς της επικάλυψης λόγω μικροαπόξεσης μέσω της δοκιμασίας πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης με λίπανση. Περαιτέρω δοκιμασίες κεκλιμένης πρόσκρουσης διεξήχθησαν σε συνθήκες υγρής λίπανσης. Το επικαλυμμένο δοκίμιο τοποθετήθηκε σε γαλάκτωμα το οποίο χρησιμοποιείται σε κατεργασίες κοπής (βλ. σχήμα 7.6) /101,102/. Το υγρό αποτελείται από 96% νερό και 4% από λαδί υψηλής απόδοσης σε κοπή. Το λιπαντικό αυτό χρησιμοποιήθηκε λόγω της καλής χημικής του συμπεριφοράς σε σχέση με τα κοπτικά

81 7.Προσδιορισμός αντοχής σε μικροαπόξεση επικαλύψεων μέσω της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης πλακίδια. Με την χρησιμοποίηση του λιπαντικού μέσου μειώνεται ο συντελεστής τριβής ανάμεσα στις 2 επιφάνειες επαφής, ενώ επιτυγχάνεται και ομοιόμορφη κατανομή της πίεσης λόγω της δημιουργίας υδροδυναμικού σφήνα ανάμεσα τους. Το ελάχιστο πάχος υδροδυναμικού σφήνα h min, για να μην υπάρχει μεταλλική επαφή, πρέπει να είναι τουλάχιστον ίσο με το ημιάθροισμα των τραχυτήτων των δυο επιφανειών του εισβολέα και του πλακιδίου. Η συχνότητα κρούσης του σφαιρικού εισβολέα είναι 50 Hz και η μέση σχετική ταχύτητα του υπολογίζεται στο 0,1 m/sec. Λόγω της παλινδρομικής κίνησης του εισβολέα, η λίπανση που επιτυγχάνεται μεταβάλλεται σε όλο το πεδίο της οριακής και της μικτής λίπανσης, αλλά και στο πεδίο της ελαστο-υδροδυναμικής λίπανσης, όπου το λιπαντικό που παρεμβάλλεται μεταξύ των μεταλλικών επιφανειών των δύο σωμάτων διατηρεί ένα ελάχιστο πάχος φιλμ. Όπως είναι φανερό και στο διάγραμμα στην ελαστο-υδροδυναμική περιοχή το πάχος του αναπτυσσόμενου υδροδυναμικού σφήνα h film είναι μεγαλύτερο από το ελάχιστο πάχος h min οπότε δεν υπάρχει μεταλλική επαφή μεταξύ των 2 επιφανειών, παρά μόνο ισοπέδωση της τραχύτητας της επικαλυμμένης επιφάνειας τοπικά όπου αυτή υπερβαίνει το πάχος του υδροδυναμικού σφήνα. Τα πειράματα πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης με λίπανση είχαν ως σκοπό την απομόνωση της κόπωσης από τον μηχανισμό της φθοράς έτσι ώστε η επικάλυψη να αστοχεί λόγω φαινόμενων μικροαπόξεσης. Τα αντίστοιχα αποτελέσματα καθώς και τα χαρακτηριστικά του λιπαντικού έχουν καταχωρηθεί στο σχήμα 7.7. Όπως αναμενόταν, η επικάλυψη αφαιρείται πλήρως λόγω κόπωσης σε φορτίο κρούσης 200 Ν, μεγαλύτερο από το κρίσιμο φορτίο κόπωσης, υστέρα από πεντακόσιες χιλιάδες (5x10 5 ) κρούσεις (βλ λεπτομέρεια Α, σχήμα 7.7). Σε φορτία κρούσης ίσα ή και μικρότερα του κρίσιμου για κόπωση 140 Ν, για περισσότερες από ένα (10 6 ) και δύο (2x10 6 ) εκατομμύρια κρούσεις δεν συμβαίνει καθόλου αστοχία της επικάλυψης Σχήμα 7.6: (α) Ιδιοσυσκευή κεκλιμένης πρόσκρουσης με λίπανση (β) Συντελεστής τριβής και πάχος υδροδυναμικού σφήνα σε σχέση με την ταχύτητα του εισβολέα

82 7.Προσδιορισμός αντοχής σε μικροαπόξεση επικαλύψεων μέσω της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Σχήμα 7.7: Χαρακτηριστικά αποτυπώματα πειραμάτων πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης με υγρή λίπανση (γαλάκτωμα). (βλ. λεπτομέρεια Β, σχήμα 7.7). Στις τελευταίες αυτές περιπτώσεις μόνο οι κορυφές της τραχύτητας έχουν ισοπεδωθεί, φαινόμενο το οποίο οδηγεί σε μείωση της τραχύτητας εντός του αποτυπώματος. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί λόγω της ανάπτυξης υδροδυναμικής πίεσης μεταξύ της σφαίρας και της επικάλυψης η οποία εμποδίζει την άμεση επαφή των επιφανειών. Έτσι μειώνονται οι τριβές και εξαλείφονται οι μηχανισμοί μικροδιάβρωσης. Με αυτό το τρόπο δεν συμβαίνει καμία αστοχία της επικάλυψης σε φορτία κρούσης ίσα ή μικρότερα από το κρίσιμο φορτίο κόπωσης όταν η πλάγια κρούση πραγματοποιείται σε συνθήκες υγρής λίπανσης/103/. Μια γενική εποπτεία των πειραμάτων πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης που διεξήχθησαν για διαφορά φορτία, αριθμούς κρούσεων και συνθήκες με ή χωρίς λίπανση παρουσιάζεται στο σχήμα 7.8. Η έκταση της αστοχίας της επικάλυψης στα αποτυπώματα περιγράφεται μέσω του λογού αστοχίας FR. Αυτός ο λόγος καθορίζεται αυτόματα με τη βοήθεια του λογισμικού WEPROC /23,24/. Στο πάνω μέρος του σχήματος για φορτία μεγαλύτερα από το κρίσιμο για κόπωση, η αύξηση του λογού αστοχίας μειώνεται μέσω της λίπανσης, καθώς και η αφαίρεση της επικάλυψης λόγω μικροαπόξεσης επιβραδύνεται

83 7.Προσδιορισμός αντοχής σε μικροαπόξεση επικαλύψεων μέσω της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Στις άλλες περιπτώσεις για φορτία ίσα ή μικρότερα από το κρίσιμο για κόπωση των 140 Ν οι μηχανισμοί αστοχίας της επικάλυψης λόγω μικροαπόξεσης είναι αμελητέοι για λιγότερο από ένα εκατομμύρια (10 6 ) κρούσεις σε συνθήκες με ή χωρίς λίπανση. Σε μεγαλύτερους αριθμούς κρούσεων λαμβάνει χώρα στην επιφάνεια της επικάλυψης ελεγχόμενη φθορά μικροαπόξεσης αργού ρυθμού στις περιπτώσεις χωρίς λίπανση. Η φθορά που παρατηρήθηκε είναι μικρής έκτασης και προκαλείται ανεξάρτητα από την ύπαρξη φαινομένων κόπωσης της επικάλυψης. Τελικά αν χρησιμοποιηθεί λιπαντικό σε φορτία ίσα ή μικρότερα από το κρίσιμο σε κόπωση της επικάλυψης το υλικό μπορεί να αντέξει σε ένα θεωρητικά άπειρο αριθμό κρούσεων όπως ακριβώς στις περιπτώσεις κάθετης πρόσκρουσης με υποκρίσιμο φορτίο χωρίς λίπανση. Σχήμα 7.8: Λόγος επιφάνειας αστοχίας FR συναρτήσει του αριθμού κρούσεων για διάφορα φορτία πρόσκρουσης, με και χωρίς λίπανση

84 8.Προσδιορισμός δυναμικής και συναφειακής αντοχής επικαλύψεων σε δακτυλίους ρουλεμάν 8. Προσδιορισμός της δυναμικής και συναφειακής αντοχής PVD επικαλύψεων σε δακτυλίους βελονοειδών εδράνων κύλισης μέσω της δοκιμασίας πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Η απόδοση των εδράνων περιορίζεται από την τριβολογική συμπεριφορά των χαλύβδινων δακτυλίων τους, η οποία επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, όπως ταλαντώσεις, φορτία, ταχύτητα, λιπαντικό, ύπαρξη θραυσμάτων κ.α. Σε πολλές περιπτώσεις, ιδιαίτερες λεπτές σκληρές επικαλύψεις μπορούν και έχουν χρησιμοποιηθεί για να αυξήσουν την απόδοση των χαλύβδινων εδράνων /4,81,104,105,106,107,108/. Σημαντικές παράμετροι που πρέπει να διερευνηθούν στους επικαλυμμένους δακτυλίους των εδράνων είναι η αντοχή σε κόπωση και συνάφεια, καθώς μια πρώιμη αστοχία της επικάλυψης ενδέχεται να μειώσει αισθητά τη διάρκεια ζωής ολόκληρου του εδράνου. Η δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης χρησιμοποιείται για την ποσοτική αξιολόγηση διαφόρων ιδιοτήτων των λεπτών σκληρών επικαλύψεων, οι οποίες έχουν εναποτεθεί σε στοιχεία μηχανών, εργαλεία κτλ. Η δοκιμή αυτή εφαρμόζεται κυρίως σε επικαλυμμένα δοκίμια απλής γεωμετρία, όπως επικαλυμμένα ένθετα κοπτικά πλακίδια και επικαλυμμένες πλάκες ή δίσκους. Στην παρούσα έρευνα, δοκιμές κάθετης και πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης πραγματοποιήθηκαν απευθείας σε PVD επικαλυμμένους δακτυλίους ρουλεμάν. Οι δοκιμές εκτελέστηκαν στην εσωτερική κυλινδρική επιφάνεια του εξωτερικού σταθερού δακτυλίου, καθώς και στην εξωτερική κυλινδρική επιφάνεια του εσωτερικού περιστρεφόμενου δακτυλίου, με τη χρήση κατάλληλων ιδιοσυσκευών συγκράτησης. Μέσω μιας εξελιγμένης προσομοίωσης με πεπερασμένα στοιχεία (FEM) της επαφής μεταξύ του σφαιρικού εισβολέα και της κυλινδρικής επιφάνειας των δακτυλίων, προσδιορίστηκε η αντοχή σε κόπωση της επικάλυψης και ποσοτικοποιήθηκε η συνάφειά της. Οι μηχανικές ιδιότητες των εφαρμοσμένων λεπτών επικαλύψεων και υποστρωμάτων, που χρησιμοποιήθηκαν στους υπολογισμούς FEM, εντοπίστηκαν με νανοδιεισδύσεις και κατάλληλη αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Η αντοχή σε κόπωση της επικάλυψης που προέκυψε μπορεί να χαρακτηριστεί ικανοποιητική, η συνάφειά της όμως αξιολογήθηκε ως κακή Πειραματικές διαδικασίες και υλικά των δοκιμίων που εξεταστήκαν Το δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης που χρησιμοποιήθηκε, εξελίχθηκε και κατασκευάστηκε από το Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης σε συνεργασία με την CEMECON AG. Η ιδιοσυσκευή που εξελίχθηκε για να συγκρατεί τον εσωτερικό δακτύλιο του εδράνου στο δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης εκτίθεται στο σχήμα 8.1α. Ο δακτύλιος φοριέται σε

85 8.Προσδιορισμός δυναμικής και συναφειακής αντοχής επικαλύψεων σε δακτυλίους ρουλεμάν Σχήμα 8.1: (α) Διάταξη δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης για διερεύνηση στην επικαλυμμένη εξωτερική κυλινδρική επιφάνεια δακτυλίου εδράνου. (β) Γεωμετρικοί συσχετισμοί στην κάθετη και την πλάγια κρούση. (γ) Διάταξη δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης για διερεύνηση στην επικαλυμμένη εσωτερική κυλινδρική επιφάνεια δακτυλίου εδράνου. κατάλληλο άξονα και μπορεί να μετατοπίζεται σε διάφορες θέσεις κατά την αξονική διεύθυνση (X-άξονας). Επιπλέον, ο άξονας μπορεί να μετακινείται και ακτινικά κατά την Υ-διεύθυνση σε συγκεκριμένη απόσταση L, ώστε να είναι δυνατή η διεξαγωγή πλάγιων κρούσεων σε γωνία θ ως προς την εξεταζόμενη επιφάνεια, όπως παρίσταται στο σχήμα 8.1β. Η αντίστοιχη ιδιοσυσκευή για το εξωτερικό δαχτυλίδι φαίνεται στο σχήμα 8.1γ. Το ειδικά διαμορφωμένο κουζινέτο Ω (φωλιά), στο οποίο τοποθετείται ο προς εξέταση δακτύλιος του εδράνου, είναι βιδωμένο σε κατάλληλη βάση, όπως φαίνεται στη φωτογραφία. Έτσι μπορεί να μετακινείται στη διεύθυνση των Χ και Υ αξόνων για να είναι δυνατό να πραγματοποιηθούν πειράματα κάθετης και πλάγιες κρούσης σε διάφορες θέσεις στην εσωτερική κυλινδρική επιφάνεια του εδράνου. Η δομή της επικάλυψης που εναποτέθηκε στις κυλινδρικές περιοχές και των δυο δακτυλίων δείχνεται στο σχήμα 8.2. Το επιφανειακό στρώμα I αποτελείται κυρίως από a-c:h με διαβάθμιση Cr σε περίπου 2.2 μm πάχος. Το επόμενο στρώμα II είναι κυρίως CrN με

86 8.Προσδιορισμός δυναμικής και συναφειακής αντοχής επικαλύψεων σε δακτυλίους ρουλεμάν Σχήμα 8.2: Αποτύπωμα δοκιμής κρατεροποίησης στην εξεταζόμενη επικάλυψη και προσομοιωτικό μοντέλο που λαμβάνει υπόψη τη δομή της. διαβάθμιση C, με πάχος περίπου 1.6 μm. Η διαδικασία εναπόθεσης της επικάλυψης διεξήχθη σε θερμοκρασία χαμηλότερη των C, για να αποφευχθούν φαινόμενα ανόπτησης στο χαλύβδινο 100Cr6 υπόστρωμα. Στην προσομοίωση με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων η παραπάνω δομή προσομοιώθηκε υποθέτοντας ότι έχουν εναποτεθεί δυο διαφορετικά και τέλειας μεταξύ τους συνάφειας στρώματα επικάλυψης όπως παρουσιάζεται στο δεξί μέρος του σχήματος 8.2. Ο προσδιορισμός των καμπύλων τάσης-παραμόρφωσης έλαβε χώρα σε δυο φάσεις. Αρχικά εκτελέστηκαν νανοδιεισδύσεις στους επικαλυμμένους δακτυλίους με μέγιστο φορτίο διείσδυσης τα 5 mn, το οποίο οδήγησε σε αμελητέα παραμόρφωση του στρώματος II (βλ. σχήμα 8.3α). Η καμπύλη τάσης-παραμόρφωσης της στρώσης I καθορίστηκε μέσω της μεθόδου FEM αξιολόγησης που περιγράφεται στη βιβλιογραφία /20/ και είναι καταγεγραμμένη στο αντίστοιχο διάγραμμα του σχήματος 8.3α. Στο διάγραμμα αυτό έχουν σχεδιαστεί επίσης οι ελαστοπλαστικές ιδιότηες του υποστρώματος 100Cr6. Αυτές έχουν προσδιοριστεί μέσω της ίδιας διαδικασίας σε ακάλυπτες περιοχές των ίδιων επικαλυμμένων δακτυλίων των εδράνων. Στο επόμενο στάδιο της διερεύνησης, διεξήχθησαν νανοδιεισδύσεις σε φορτίο με τις οποίες προκλήθηκε σημαντική ελαστο-πλαστική παραμόρφωση στο II. Λαμβάνοντας υπόψη τις ήδη ευρεθείσες ιδιότητες του στρώματος I, προσδιορίστηκαν οι μηχανικές ιδιότητες του στρώματος II μέσω μιας αριθμητικής μεθόδου «δοκιμής και σφάλματος» που έχει εφαρμοστεί στην βιβλιογραφία /109/. Οι αντίστοιχες καμπύλες τάσης παραμόρφωσης παρουσιάζονται στο

87 8.Προσδιορισμός δυναμικής και συναφειακής αντοχής επικαλύψεων σε δακτυλίους ρουλεμάν Σχήμα 8.3: (α) Καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης του στρώματος Ι και του υποστρώματος. (β) Καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης του στρώματος ΙΙ και προσομοίωση της νανοδιείσδυσης για έλεγχο της παραμόρφωσης της επικάλυψης σε φορτίο 50 mn. διάγραμμα στα αριστερά του σχήματος 8.3β. Για να ελεγχθεί η αξιοπιστία των δεδομένων αυτών, η διείσδυση του εισβολέα στο διαστρωματωμένο PVD φιλμ προσδιορίστηκε μέσω FEM υπολογισμών, ως το φορτίο διείσδυσης των 50 mn. Τα αποτελέσματα αυτά συγκρίθηκαν με τα μετρημένα και επαληθεύτηκε ότι βρίσκονται σε συμφωνία. (βλ. σχήμα 8.3β). Οι προσδιορισμένες πλέον μηχανικές ιδιότητες των στρωμάτων I και II χρησιμοποιήθηκαν σε περαιτέρω προσομοιώσεις με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων της δοκιμής επαναλαμβανόμενης κρούσης Απόδοση σε κόπωση της επικάλυψης των δακτυλίων εδράνων Κατά τη διάρκεια της δοκιμής επαναλαμβανόμενης κρούσης ξεχωρίζουν δύο στάδια, η φάση φόρτισης όταν ο σφαιρικός εισβολέας προσκρούει στο επικαλυμμένο δείγμα και η φάση της αποφόρτισης. Σύμφωνα με FEM- βασιζόμενους υπολογισμούς /12/, η μέγιστη τάση στην επικάλυψη παρατηρείται στην παρούσα περίπτωση στην περιφέρεια του κρατήρα και ανέρχεται σε περίπου 3 GPa, όπως εκτίθεται στην λεπτομέρεια Α του σχήματος 8.4. Υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν επίσης στην περίπτωση όπου το στρώμα I της επικάλυψης έχει αφαιρεθεί

88 8.Προσδιορισμός δυναμικής και συναφειακής αντοχής επικαλύψεων σε δακτυλίους ρουλεμάν Σχήμα 8.4: FEM-υπολογισμένη κατανομή τάσεων με και χωρίς το επιφανειακό στρώμα Ι. τελείως. Τα αντίστοιχα αποτελέσματα, που αφορούν την κατανομή των τάσεων, παρουσιάζονται στο κάτω μέρος του σχήματος. Η αφαίρεση του στρώματος I έχει αποτέλεσμα μια αύξηση στην μέγιστη ισοδύναμη τάση στο στρώμα II, που οδηγεί έτσι σε πιθανή έναρξη αστοχίας της επικάλυψης. Με τον τρόπο αυτό το στρώμα I προστατεύει το στρώμα II, αφού μειώνει την αντίστοιχη φόρτιση τουλάχιστον στην αρχή του πειράματος επαναλαμβανόμενης κρούσης. Στην περίπτωση μιας δύναμης κρούσης 700 Ν, το υπόστρωμα παραμορφώνεται πλαστικά καθώς οι αντίστοιχες τάσεις είναι μεγαλύτερες από την τάση διαρροής του χάλυβα 100Cr6 (βλ. Σχήμα 3β). Επιπλέον μέσω της προσομοίωσης με πεπερασμένα στοιχεία της πρόσκρουσης, υπολογίστηκε το παραμορφωμένο προφίλ της επικάλυψης σε δύναμη 700 Ν όπως φαίνεται στο αριστερό μέρος του σχήματος 8.5. Λόγω της πλαστικής παραμόρφωσης που εξελίσσεται κατά την φάση της φόρτισης, η επιφάνεια επαφής δεν επανέρχεται πλήρως στην αρχική επίπεδη μορφή της, δημιουργώντας έτσι ένα μόνιμο κοίλο αποτύπωμα. Τα μέγιστο βάθος του σχηματισμένου αποτυπώματος έχει καταγραφεί συναρτήσει του φορτίου κρούσης στο διάγραμμα στο δεξί μέρος του σχήματος 8.5. Σε φορτία μικρότερα των 200 Ν, η παραμόρφωση του υποστρώματος είναι τελείως ελαστική και δεν δημιουργείται παραμένων κρατήρας

89 8.Προσδιορισμός δυναμικής και συναφειακής αντοχής επικαλύψεων σε δακτυλίους ρουλεμάν Σχήμα 8.5: FEM υπολογισμένη γεωμετρία αποτυπώματος στις φάσεις φόρτισης και αποφόρτισης και μέγιστο παραμένον βάθος συναρτήσει του φορτίου κρούσης. Μετρήσεις των προφίλ των αποτυπωμάτων παρουσιάζονται σε τρεις περιπτώσεις φορτίων κάθετης κρούσης μετά από 10 6 κρούσεις στο σχήμα 8.6. Για να διευκολυνθεί ο εντοπισμός της αστοχίας στην επικάλυψη, εκτελέστηκαν υπολογισμοί FEM, στους οποίους λήφθηκε υπόψη η εφαρμοζόμενη δύναμη κρούσης. Η επικάλυψη είναι άθικτη αν το μέγιστο μετρημένο βάθος του αποτυπώματος είναι ίσο ή μικρότερο από το υπολογισμένο. Όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 8.6, το στρώμα II ανθίσταται για ένα εκατομμύριο κρούσεις ως τα εφαρμοζόμενα φορτία λιγότερο από περίπου 900 N. Σε φορτία μεγαλύτερα ή ίσα από περίπου 900 N, το στρώμα II Σχήμα 8.6: Μετρημένα και υπολογισμένα προφίλ αποτυπωμάτων για διάφορα φορτία κρούσης

90 8.Προσδιορισμός δυναμικής και συναφειακής αντοχής επικαλύψεων σε δακτυλίους ρουλεμάν επίσης αφαιρείται σε λιγότερο από ένα εκατομμύριο κρούσεις. Οι αντίστοιχες μετρημένες και υπολογισμένες τιμές των παραμενόντων βαθών έχουν καταγραφεί στον πίνακα στο δεξί μέρος του σχήματος. Για τον προσδιορισμό του κρίσιμου φορτίου κόπωσης για τον εσωτερικό και εξωτερικό δακτύλιο του εδράνου, πειράματα κάθετης κρούσης έλαβαν χώρα σε διάφορα φορτία κρούσης (βλ. σχήμα 8.7). Το μέγιστο παραμένον βάθος αποτυπώματος μετρήθηκε και συγκρίθηκε με το αντίστοιχο υπολογισμένο μέσω προσομοίωσης. Με τον τρόπο αυτό προσδιορίστηκε το κρίσιμο φορτίο κρούσης για κόπωση και για τα δύο στρώματα της επικάλυψης στον εσωτερικό και στον εξωτερικό δακτύλιο. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που προέκυψαν, το στρώμα I έχει αφαιρεθεί ήδη από το φορτίο των 100 Ν έπειτα ένα εκατομμύριο κρούσεις στην περίπτωση και των δύο δακτυλίων. Αντίθετα το στρώμα II ανθίσταται σε φορτία κρούσης ως περίπου 800 N και στις δύο περιπτώσεις των δακτυλίων. Τα αποτελέσματα αυτά αξιολογήθηκαν περαιτέρω μέσω υπολογισμών FEM /12/, για να προσδιοριστούν οι ιδιότητες σε κόπωση κάθε στρώματος της επικάλυψης με τη μορφή διαγραμμάτων Woehler, τα οποία δείχνονται στο σχήμα 8.8. Η τάση von Mises αντοχής σε κόπωση του στρώματος I ανέρχεται σε 1.2 GPa και συσχετίζεται με φορτίο κρούσης περίπου 100 N. Η αντίστοιχη τάση για το στρώμα II ανέρχεται σε 2.2 GPa και αντιστοιχεί σε φορτίο κρούσης περίπου 800 Ν. Τα αποτελέσματα αυτά θα χρησιμοποιηθούν περαιτέρω για την ποσοτικοποίηση της συνάφειας της επικάλυψης, όπως θα περιγραφεί στο επόμενο κεφάλαιο. Σχήμα 8.7: Μετρημένο και FEM υπολογισμένο παραμένον βάθος αποτυπώματος συναρτήσει του φορτίου κρούσης και για τις δυο περιπτωσεις δακτυλίων εσωτερικού και εξωτερικού

91 8.Προσδιορισμός δυναμικής και συναφειακής αντοχής επικαλύψεων σε δακτυλίους ρουλεμάν Σχήμα 8.8: Διαγράμματα Woehler των στρωμάτων Ι και ΙΙ της επικάλυψης 8.3. Ποσοτικοποίηση της συνάφειας της επικάλυψης μέσω της δόκιμης πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Κατά τη δοκιμή πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης, η επικαλυμμένη επιφάνεια καταπονείται ταυτόχρονα με κάθετες και εφαπτομενικές φορτίσεις /71,72,100,103/. Αυτές οι ταυτόχρονες φορτίσεις προκαλούν ένα έντονο πεδίο τάσων στην επικάλυψη που οδηγεί σε αστοχία της σε χαμηλές δυνάμεις κρούσης. Λαμβάνοντας υπόψη ότι η ακτίνα του δακτυλίου είναι περίπου 25 φορές μεγαλύτερη από την αντίστοιχη του σφαιρικού εισβολέα, η επιφάνεια επαφής μπορεί να προσεγγιστεί με επίπεδη για τις ανάγκες της τρισδιάστατης προσομοίωσης με πεπερασμένα στοιχεία της διαδικασίας, η οποία φορτίζεται με ένα ελλειπτικά κατανεμημένο φορτίο όπως επιδεικνύεται στο σχήμα 8.9α /12/. Επιπλέον, το τρισδιάστατο προσομοιωτικό μοντέλο FEM που χρησιμοποιήθηκε, όπως αυτό εξελίχθηκε στη βιβλιογραφία /100/, λαμβάνει υπόψη της μηχανικές ελαστο-πλαστικές ιδιότητες της επικάλυψης, του υποστρώματος και του σφαιρικού εισβολέα. Οι ιδιότητες της συνάφειας στο μοντέλο αυτό περιγράφονται από την κάθετη και εφαπτομενική στιβαρότητα των στοιχείων επαφής που έχουν εισαχθεί μεταξύ επικάλυψης και υποστρώματος. Ο λόγος στιβαρότητας επαφής CSR της εφαπτομενικής στιβαρότητας cs t προς την κάθετης cs n εφαρμόστηκε για τον χαρακτηρισμό της ποιότητας της συνάφειας στην διεπιφάνεια επικάλυψηςυποστρώματος /100/. Οι αναπτυσσόμενες τάσεις κατά την πλάγια κρούση προσδιορίστηκαν από το προηγούμενα περιγραφθέν προσομοιωτικό μοντέλο και έχουν εικονογραφηθεί στο σχήμα 8.9β. Η μέγιστη τάση κατά von Mises βρίσκεται στην επιφάνεια της επικάλυψης και ανέρχεται σε περίπου

92 8.Προσδιορισμός δυναμικής και συναφειακής αντοχής επικαλύψεων σε δακτυλίους ρουλεμάν GPa, για εφαρμοζόμενο φορτίο κρούσης 210 N και γωνία κρούσης 10 μοιρών (βλ. επίσης τομή ΧΧ στο σχήμα 8.9β). Η τάση αυτή είναι ίση με την προσδιορισμένη κρίσιμη για κόπωση του στρώματος II, που ήδη έχει παρουσιαστεί στο σχήμα 8.8. Στις συνθήκες του πειράματος αυτές, η αστοχία της επικάλυψης εξελίσσεται στο στρώμα I και II έπειτα από λιγότερες από 500x10 3 κρούσεις και στις δύο περιπτώσεις δακτυλίων (σχήμα 8.9γ). Λόγω του χαμηλού φορτίου κρούσης, οι παραμορφώσεις στα στρώματα της επικάλυψης και στο υλικό του υποστρώματος είναι ελαστικές (βλ. σχήμα 8.5), επομένως δεν πρέπει να υφίσταται εναπομένουσα παραμόρφωση μετά το τέλος του πειράματος. Με τον τρόπο αυτό, τα βάθη των προφίλ των αποτυπωμάτων στην διεύθυνση ΧΧ δηλώνουν απευθείας ότι επήρθε αστοχία της επικάλυψης και στα δύο στρώματά της και για τους δύο δακτυλίους, εσωτερικό και εξωτερικό. Η αστοχία της επικάλυψης σε φορτία ίσα ή μικρότερα από το κρίσιμο για κόπωση των 210 Ν μπορεί να εξηγηθεί λόγω προβληματικής συνάφειας /100/. Για τον προσδιορισμό της επιρροής της συνάφειας στο κρίσιμο φορτίο για αστοχία για το στρώμα II, πειράματα πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης διεξήχθησαν σε φορτία κρούσης μικρότερα από 210 N. Όπως επιδεικνύεται στο σχήμα 8.10, η επικάλυψη και του εσωτερικού και Σχήμα 8.9: (α) Περιοχή επαφής και κατανομή πίεσης μεταξύ σφαίρας και επικαλυμμένου δακτυλίου κατά την δοκιμή πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης (β): FEM-υπολογισμένη κατανομή ισοδύναμων τάσεων στην πλάγια κρούση. (γ): Μετρημένο προφίλ αποτυπώματος στο φορτίο αντοχής σε κόπωση για διάφορους αριθμούς κρούσεων

93 8.Προσδιορισμός δυναμικής και συναφειακής αντοχής επικαλύψεων σε δακτυλίους ρουλεμάν του εξωτερικού δακτυλίου του εδράνου συμπεριφέρονται με παρόμοιο τρόπο. Το στρώμα I έχει αφαιρεθεί σε όλες τις δυνάμεις κρούσης, ενώ το φορτίο των 150 Ν μπορεί να θεωρηθεί ως το κρίσιμο για αστοχία του στρώματος II, καθώς δεν εξελίσσεται αστοχία στο στρώμα αυτό έπειτα από ένα εκατομμύριο κρούσεις (10 6 ). Η συνάφεια της επικάλυψης μπορεί να ποσοτικοποιηθεί με τη διαδικασία που περιγράφεται στη βιβλιογραφία /100/ και σε προηγούμενο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας. Η μέγιστες ισοδύναμες τάσεις που αναπτύσσονται κατά την πλάγια κρούση για διάφορους λόγους στιβαρότητας επαφής δείχνονται στο σχήμα 8.11α. Οι υπολογισμοί FEM που επιδεικνύονται είναι για δύο περιπτώσεις ποιότητας συνάφειας με λόγους στιβαρότητας επαφής CSR ίσους με 0.1 και 0.01, οι τιμές αυτές συσχετίζονται με πολύ καλή και επαρκή συνάφεια αντίστοιχα /100/. Όπως μπορεί να παρατηρηθεί, η μείωση του λόγου στιβαρότητας επαφής, δηλαδή ο περιορισμός της συνάφειας της επικάλυψης, οδηγεί σε αύξηση της μέγιστης ισοδύναμης τάσης. Η προσαύξηση της τάσης συναρτήσει του λόγου στιβαρότητας επαφής, που επιδεικνύεται στο σχήμα 8.11β, είναι πιο έντονη σε λόγους στιβαρότητας επαφής μικρότερους Σχήμα 8.10: Μετρημένο προφίλ αποτυπώματος σε φορτία κρούσης χαμηλότερα από το φορτίο αντοχής σε κόπωση έπειτα από ένα εκατομμύριο κρούσεις

94 8.Προσδιορισμός δυναμικής και συναφειακής αντοχής επικαλύψεων σε δακτυλίους ρουλεμάν Σχήμα 8.11: (α) FEM προσδιορισμένη κατανομή ισοδύναμων τάσεων στην πλάγια κρούση σε δύο περιπτώσεις συνάφειας επικάλυψης-υποστρώματος. (β) Επιρροή του λόγου στιβαρότητας επαφής στην προκύπτουσα μέγιστη ισοδύναμη τάση από Είναι εμφανές ότι στο ίδιο φορτίο κρούσης, όταν είναι προβληματική η συνάφεια της επικάλυψης, η μέγιστη τάση von Mises μεγαλώνει κατά τη διάρκεια της πλάγιας κρούσης, επιταχύνοντας έτσι την έναρξη της αστοχίας της επικάλυψης. Λαμβάνοντας υπόψη ότι αστοχία της επικάλυψης στο στρώμα I εμφανίζεται σε λιγότερο από 400x10 3 κρούσεις σε φορτίο κρούσης 210 Ν (βλ. Σχήμα 8.9γ), η αντίστοιχη μέγιστη ισοδύναμη τάση προσδιορίστηκε με τη βοήθεια του διαγράμματος Woehler, όπως περιγράφεται στο αριστερό μέρος του σχήματος Υποθέτοντας ότι η έναρξη της αστοχίας στο στρώμα II εμφανίζεται μετά από 300x10 3 κρούσεις, προσδιορίστηκε ως μέγιστη τάση von Mises περίπου στα 2.5 GPa. Η τάση αυτή αντιστοιχεί σε συνάφεια της επικάλυψης, σχετιζόμενη με λόγο στιβαρότητας επαφής CSR της τάξης του (βλ. δεξί τμήμα στο σχήμα 8.12). Το ίδιο αποτέλεσμα βρέθηκε όπως επιδεικνύεται στο ίδιο σχήμα, θεωρώντας το φορτίο των 150 Ν ως το κρίσιμο φορτίο για αστοχία του στρώματος II της επικάλυψης, που σχετίζεται με την τάση διαρκούς αντοχής σε κόπωση των 2.2 GPa (βλ. σχήμα 8.10). Και στις δύο περιπτώσεις των δακτυλίων, ο λόγος στιβαρότητας επαφής αντιστοιχεί σε περίπου 0.008, και έτσι η συνάφεια της επικάλυψης με το υπόστρωμα μπορεί να θεωρηθεί ανεπαρκής σύμφωνα με αποτελέσματα άλλων μελετών /100/

95 8.Προσδιορισμός δυναμικής και συναφειακής αντοχής επικαλύψεων σε δακτυλίους ρουλεμάν Σχήμα 8.12: Προσδιορισμός του λόγου στιβαρότητας επαφής για τον χαρακτηρισμό της συνάφειας της επικάλυψης στον εσωτερικό και στον εξωτερικό δακτύλιο του εδράνου

96 9.Διερεύνηση δυναμικής αντοχής και ρυθμού φθοράς επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού με την πλάγια κρούση 9. Διερεύνηση της δυναμικής συμπεριφοράς και του ρυθμού φθοράς επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού με τις δοκιμές κάθετης και πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Στις μέρες μας, οι επικαλύψεις Plasma και HVOF παρέχουν σχετικά φθηνές λύσεις σε μια πληθώρα κατασκευαστικών προβλημάτων που απασχολούν τη βιομηχανία. Τέτοιες επικαλύψεις χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου μεταξύ άλλων, χρειάζεται να έχουν δυσθραυστότητα, αντοχή και αντίσταση σε μηχανική και χημική διάβρωση. Μέσω της χρήσης τέτοιων επικαλύψεων, αντικείμενα όπως τύμπανα, κύλινδροι, οδηγητικοί δίσκοι και αντλίες μπορούν να παρουσιάσουν βελτιωμένη συμπεριφορά σε φθορά. Ο ακριβής καθορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων και της αντοχής σε κόπωση των μεταλλικών επικαλύψεων, οι οποίες υπόκεινται σε μεταβλητά δυναμικά φορτία είναι ένα σημαντικό θέμα για πολλά μηχανολογικά προβλήματα. Σε μερικές περιπτώσεις, όπου το πάχος, η τραχύτητα η δομή και το πορώδες είναι παράγοντες που επηρεάζουν τις ιδιότητες αυτές, πρέπει να εξελιχθούν νέες προσεγγίσεις για των καθορισμό της απόδοσης των επικαλύψεων Λόγω ανάγκης για επικάλυψη σε πτερύγια αντλίας χυτοσιδήρου, που παρουσίαζε πολλά προβλήματα διάβρωσης σε νερό με μικρόσωματίδια άμμου διεξήχθη στα πλαίσια της παρούσας εργασίας έρευνα για τον έλεγχο της καταλληλότητας τριών παραλλαγών επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού. Η έρευνα περιλάμβανε μια κεραμική επικάλυψη που εφαρμόζεται με τη μέθοδο atmospheric Plasma SX115 (44% σύνθετα βορίδια μήτρα μαρτενσιτικού ανοξείδωτου), μια επικάλυψη καρβιδίων χρωμίου/βολφραμίου HVOF SX316 (37% WC, 11%Ni, 4% Co, φάσεις Cr 3 C 2 ) και μια επικάλυψη καρβιδίων βολφραμίου HVOF SX314 (86% WC, 10% Co, 4% Cr) Πάχος, τραχύτητα και σκληρότητα των επικαλυμμένων δοκιμίων Στα πλαίσια της έρευνας, αρχικά μετρήθηκαν η τραχύτητα και το πάχος των επικαλύψεων. Το πάχος των επικαλύψεων είναι 160μm για την SX115, 275μm για την SX316 και 350μm για την SX314. Για της μετρήσεις αυτές χρησιμοποιήθηκαν τετραγωνικά πλακίδια από χυτοσίδηρο τα οποία προετοιμάστηκαν με ή χωρίς αμμοβολή. Όλα τα δοκίμια καθαρίστηκαν επιφανειακά προτού επικαλυφθούν και επικαλύφθηκαν σε θάλαμο ελεγχόμενων συνθηκών. Στον πίνακα 9.1 έχουν καταγραφεί οι μετρήσεις τραχύτητας των δοκιμίων. Το γράμμα B δίπλα στο όνομα του δοκιμίου δείχνει ότι το δείγμα είχε υποστεί αμμοβολή προτού επικαλυφθεί. Όπως φαίνεται, η τραχύτητα των επικαλύψεων είναι πολύ μεγάλη, και συγκριτικά η SX115 έχει τη μεγαλύτερη τραχύτητα ενώ η SX316B την μικρότερη

97 9.Διερεύνηση δυναμικής αντοχής και ρυθμού φθοράς επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού με την πλάγια κρούση Roughness SX115 SX115Β SX314 SX314B SX316 SX316B R a [μm] R t [μm] R SM [μm] Πίνακας 9.1: Τραχύτητα των επικαλυμμένων δοκιμίων SX115 SX115Β SX314 SX314B SX316 SX316B HV HV HV Πίνακας 9.2: Σκληρότητα των επικαλυμμένων δοκιμίων Στον πίνακα 9.2 καταγράφηκε το εύρος της σκληρότητας των επικαλύψεων, όπως αυτό προέκυψε από το δοκιμαστήριο μικροσκληρότητας /110/ για εφαρμοζόμενο φορτίο 30g διάρκειας 10sec. Από τις μετρήσεις φαίνεται ότι η HVOF SX314 είναι η σκληρότερη, ακολουθούμενη από την SX316 και η SX115 ήταν η πιο μαλακή από τις τρεις επικαλύψεις Nανοσκληρότητα και μηχανικές ιδιότητες των επικαλύψεων Επειδή η μέση τραχύτητα των επικαλύψεων όπως αυτές ελήφθησαν από το Eργαστήριο, ήταν πολύ υψηλή για να διεξαχθούν νανοσκληρομετρήσεις, εφαρμόστηκαν διαδοχικές λειάνσεις της επιφάνειας, ώσπου να επιτευχθεί τραχύτητα μέγιστου ύψους κοιλάδας-κορυφής Rt<3 μm. Στα λειασμένα πλέον πλακίδια πραγματοποιήθηκαν νανοσκληρομετρήσεις στο όργανο FISCHERSCOPE H100 (βλ. σχήμα 9.1α) με σφαιρικο εισβολέα ακτίνας 0.2 mm, υπό μέγιστο φορτίο νανοδιείσδυσης 1000 mn /76/. Η μέτρηση της νανοσκληρότητας είναι μια ιδιαίτερα ακριβής μέθοδος εισβολής όπου καταγράφεται συνεχώς η εφαρμοζόμενη δύναμη σε σχέση με το ανά πάσα στιγμή βάθος διείσδυσης /77,78,79,80,85/. Η δοκιμή αυτή αποτελείται από δύο φάσεις, αυτή της φόρτισης και τη φάση της αποφόρτισης Οι μέσες καμπύλες των νανοσκληρομετρήσεων, που προέκυψαν από περίπου 25 μετρήσεις, απεικονίζονται στο σχήμα 9.1β. Όπως αναμενόταν ήδη από τις σκληρομετρήσεις HRC, η επικάλυψη SX314 είναι η σκληρότερη από όλες, ενώ η SX115 η πιο μαλακή. Τα αποτελέσματα αυτά έρχονται σε συμφωνία με αυτά του πίνακα 9.2. Πρέπει εδώ να σημειωθεί ότι λόγω του σχετικά μεγάλου πάχους των επικαλύψεων που εξετάστηκαν, οι μετρήσεις νανοσκληρότητας δεν επηρεάστηκαν από της προετοιμασίες των υποστρωμάτων προτού αυτά επικαλυφθούν, όπως φανερώθηκε μέσω των αποτελεσμάτων νανοδιείσδυσης

98 9.Διερεύνηση δυναμικής αντοχής και ρυθμού φθοράς επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού με την πλάγια κρούση Σχήμα 9.1: Μετρήσεις νανοσκληρότητας χρησιμοποιώντας σφαίρα 0.2 mm. Σχήμα 9.2: Καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης και τιμές χαρακτηριστικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων (E, Sy, S max ) Με τη βοήθεια του αλγορίθμου SSCUBONI /85,88,99/, καθορίστηκαν οι καμπύλες τάσηςπαραμόρφωσης της εκάστοτε επικάλυψης, οι οποίες έχουν σχεδιαστεί στο σχήμα 9.2, μαζί με τις χαρακτηριστικές τιμές του μέτρου ελαστικότητας Ε, ορίου διαρροής S Y και τάσης θραύσης Smax. Η επικάλυψη SX314 κατέχει το υψηλότερο μέτρο ελαστικότητας και όριο θραύσης, κυρίως λόγω της αυξημένης σκληρότητάς της. Αντίθετα, η επικάλυψη SX115 έχει τις χαμηλότερες ιδιότητες

99 9.Διερεύνηση δυναμικής αντοχής και ρυθμού φθοράς επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού με την πλάγια κρούση Οι μηχανικές ιδιότητες των επικαλύψεων (καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης) που προέκυψαν από τις νανοδιεισδύσεις και τις FEM προσομοιώσεις τους ήταν ελαφρώς μειωμένες σε σύγκριση με την αντοχή και τη σκληρότητά τους όπως θα παρουσιαστεί σε επόμενο κεφάλαιο. Αυτό μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι το χαμηλό βάθος διείσδυσης όπως και η μη ομοιογένεια της επιφάνειας της επικάλυψης (ιδιαίτερα μεταξύ των ορίων και των εσωτερικών περιοχών των κόκκων) επηρεάζουν σημαντικά τα αποτελέσματα της νανοδιείσδυσης. Κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης των ανώτερων στρωμάτων της επικάλυψης, οι μηχανικές ιδιότητες των ήδη εναποθετημένων κατώτερων στρωμάτων βρέθηκαν μέσω λεπτομερούς διερεύνησης να έχουν καλύτερες μηχανικές ιδιότητες λόγω συμπιεστικών εναπομενουσών τάσεων /17,18/. Η μικρή εφαρμοζόμενη δύναμη που έχει η δοκιμή νανοδιείσδυσης δεν είναι αρκετή να φτάσει στις στρώσεις με ενισχυμένες μηχανικές ιδιότητες και έτσι οι ιδιότητες που μετρήθηκαν στα εξωτερικά στρώματα πιθανώς δεν είναι αντιπροσωπευτικές για ολόκληρη την επικάλυψη. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, λόγω τις μεγάλης διακύμανσης των μετρήσεων σκληρότητας και νανοσκληρότητας, δεν μπορούν να θεωρηθούν οι ιδιότητες αυτές σταθερές για τις επικαλύψεις, αλλά ενδεικτικές Δοκιμασίες καθετής και πλάγιας κρούσης και η προσομοίωση τους με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων Για να επιλυθούν οι προαναφερθείσες αβεβαιότητες, καταστρώθηκαν ο υπολογισμός για την συμπεριφορά σε κόπωση και ο ρυθμός αφαίρεσης των στρωμάτων της επικάλυψης χρησιμοποιώντας τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των αποτυπωμάτων που δημιουργήθηκαν με τη δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης. Η δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης εφαρμόζεται ως μια κατάλληλη μέθοδος για τον χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων σε κόπωση των επικαλύψεων /12,71/. Επιπλέον, οι τρόποι αστοχίας της επικάλυψης λόγω συνάφειας και συνοχής μπορούν να διευκρινιστούν μέσω της παραπάνω δοκιμής καθώς και η συμπεριφορά σε ερπυσμό των επικαλύψεων ψεκασμού πλάσματος /19,20/. Ο ερπυσμός είναι ένα φαινόμενο που μπορεί να συσχετιστεί με το πορώδες των επικαλύψεων. Κατά τη διάρκεια του πειράματος μια αύξηση στη δύναμη κρούσης ή στη διάρκεια του οδηγεί σε αύξηση της διαμέτρου και του βάθους του αποτυπώματος. Αν η συμπεριφορά σε ερπυσμό ποσοτικοποιηθεί επακριβώς, η συμπεριφορά σε κόπωση των επικαλύψεων Plasma και HVOF μπορούν να καθοριστούν με εμπιστοσύνη. Η μηχανική διάταξη της επαναλαμβανόμενης κρούσης φαίνεται στο σχήμα 9.3α. Στην παρούσα έρευνα χρησιμοποιήθηκε τόσο η διάταξη κάθετης κρούσης όσο και αυτή της πλάγιας κρούσης με γωνία 15 μοιρών, οι οποίες έχουν σχεδιαστεί στη Λεπτομέρεια Α του σχήματος. Δοκιμασίες επαναλαμβανόμενης κρούσης πραγματοποιήθηκαν σε διάφορους αριθμούς κρούσεων, από κρούσεις και φορτία μεταξύ 300N-1000N. Στα πειράματα αυτά, παρατηρήθηκε μια

100 9.Διερεύνηση δυναμικής αντοχής και ρυθμού φθοράς επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού με την πλάγια κρούση υποβάθμιση της επικάλυψης, αλλά δεν εντοπίστηκε αποκάλυψη του υποστρώματος. Αυτό παρατηρήθηκε τόσο στις δοκιμές κάθετης όσο και πλάγιας κρούσης. Η πολύ υψηλή αντοχή σε κόπωση των επικαλύψεων αυτών μπορεί να οφείλεται στην ικανότητά τους να αφομοιώνουν τις συμπιεστικές τάσεις μειώνοντας το υπάρχον πορώδες τους. Επομένως η δομή των επικαλύψεων αυτών γίνεται πιο πυκνή. Στο σχήμα 9.3β απεικονίζεται ένα τυπικό αποτύπωμα επαναλαμβανόμενης κρούσης, το οποίο έχει φωτογραφηθεί με το όργανο μsurf που βρίσκεται εγκατεστημένο στο ΕΕΔΜ. Παρόμοια αποτυπώματα φωτογραφήθηκαν για όλα τα πειράματα που διεξήχθησαν σε διάφορες δυνάμεις κρούσης και για διάφορους αριθμούς κρούσεων. Για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων επαναλαμβανόμενης κρούσης μετρήθηκαν η διάμετρος, το βάθος και ο όγκος της κοιλότητας του εκάστοτε αποτυπώματος. Οι κυριότερες διαφορές στην αντοχή των επικαλύψεων προέκυψαν από τις μετρήσεις των βαθών και των όγκων των αποτυπωμάτων, για αριθμούς κρούσεων από 100x10 3 εώς 1000x10 3. Σχήμα 9.3 (α) Η μηχανική μονάδα του δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης και οι διατάξεις κάθετης και πλάγιας κρούσης (β) Τυπικό αποτύπωμα επαναλαμβανόμενης κρούσης (φωτογραφία από μsurf)

101 9.Διερεύνηση δυναμικής αντοχής και ρυθμού φθοράς επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού με την πλάγια κρούση Ακολούθως, εκτελέστηκε μια προσομοίωση με τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων της πλάγιας κρούσης 15 μοιρών για να καθοριστεί το πεδίο των αναπτυσσόμενων ισοδύναμων τάσεων (βλ. σχήμα 9.4). Οι διαφορετικές προετοιμασίες των υποστρωμάτων δεν επηρεάζουν τα Σχήμα 9.4: (α) Προσομοίωση FEM της πλάγιας κρούσης (β) Χαρακτηριστικά αποτελέσματα της προσομοίωσης στις εξεταζόμενες επικαλύψεις

102 9.Διερεύνηση δυναμικής αντοχής και ρυθμού φθοράς επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού με την πλάγια κρούση αποτελέσματα της προσομοίωσης για την επικάλυψη, επομένως τόσο τα αμμοβολημένα όσο και τα μη αμμοβολημένα δοκίμια περιλαμβάνονται στο σχήμα. Για την προσομοίωση με πεπερασμένα στοιχεία της πλάγιας κρούσης, δημιουργήθηκε ένα τρισδιάστατο μοντέλο με σταθερή διεπιφάνεια μεταξύ επικάλυψης και υποστρώματος Για τη χρήση του μοντέλου αυτού, η γεωμετρία του αποτυπώματος και το φορτίο κρούσης εισήχθησαν ως αρχικές συνθήκες. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης έδειξαν ότι οι τάσεις στο εσωτερικό της επικάλυψης είναι ελαφρώς μικρότερες από την μέγιστη υπολογισμένη τάση θραύσης των επικαλύψεων και μεγαλύτερη από την τάση διαρροής. Θεωρώντας την SX314 που ήταν η πιο σκληρή από όλες, παρατηρείται ότι συνολικά στο στρώμα της επικάλυψης στην περίπτωση φορτίου 500 N, η ισοδύναμη τάση ανέρχεται σε 1.25 GPa, το οποίο είναι ψηλότερο από το όριο αντοχής της επικάλυψης. Κάτω από τέτοιο φορτίο, η επικάλυψη όχι μόνο έπρεπε να διαρρεύσει αλλά σχεδόν να έχει φτάσει το κρίσιμο σημείο για πλήρη αστοχία της. Παρόλα αυτά κάτι τέτοιο δεν συνέβη, κυρίως λόγω της ικανότητας των επικαλύψεων αυτών να αφομοιώνουν τις συμπιεστικές φορτίσεις και κατά δεύτερο λόγω της διαφοράς μεταξύ των υπολογισμένων και των πραγματικών μηχανικών ιδιοτήτων. Όπως ήδη έχει αναφερθεί, το βάθος διείσδυσης κατά τη δοκιμασία νανοσκληρομέτρησης δεν ήταν αρκετό για να επηρεάσει το φαινόμενο των εναπομένοντων συμπιεστικών τάσεων που δημιουργούνται στην εναπόθεση, οι οποίες αυξάνουν την αντοχή της επικάλυψης. Επομένως μπορεί να υπάρχουν μικροδιαφορές μεταξύ του πεδίου ισοδύναμων τάσεων που υφίσταται κατά την πλάγια κρούση και στην μετρημένη μέσω νανοσκληρότητας αντοχή των επικαλύψεων Αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των δοκιμασιών κάθετης και πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης μέσω υπολογισμών των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των αποτυπωμάτων τους Tα πειραματικά αποτελέσματα των δοκιμασιών κάθετης και πλάγιας κρούσης αξιολογήθηκαν με το λογισμικό 3D Ανάλυσης Τοπογραφίας Επιφάνειας, που παρέχεται μαζί με τη συσκευή Nanofocus μsurf. Στο σχήμα 9.5 φαίνονται τα βάθη των αποτυπωμάτων στις εξεταζόμενες επικαλύψεις για διάφορα φορτία και αριθμούς κρούσεων σε κάθετη κρούση. Στην περίπτωση των 750Ν είναι φανερό ότι μετά από 10 5, 5x10 5 and 10 6 κρούσεις, τα βάθη των αποτυπωμάτων στην SX316 ήταν τα μικρότερα. Παρόμοια συμπεριφορά παρατηρήθηκε επίσης και στην περίπτωση 1000N, αλλά λόγω της πολύ μεγάλης δύναμης, οι διαφορές στα βάθη των αποτυπωμάτων δεν ήταν τόσο ξεκάθαρες

103 9.Διερεύνηση δυναμικής αντοχής και ρυθμού φθοράς επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού με την πλάγια κρούση Σχήμα 9.5: Βάθος αποτυπωμάτων των εξεταζόμενων επικαλύψεων έπειτα από δοκιμές κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης. Σχήμα 9.6: Βάθος αποτυπωμάτων των εξεταζόμενων επικαλύψεων έπειτα από δοκιμές πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης

104 9.Διερεύνηση δυναμικής αντοχής και ρυθμού φθοράς επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού με την πλάγια κρούση Στο σχήμα 9.6 παρουσιάζονται οι μετρήσεις του μέσου βάθους για πλάγια κρούση. Όπως φαίνεται στο σχήμα, σε φορτίο 300N καθώς και σε 500N και έπειτα από 10 5, 5x10 5 και 10 6 κρούσεις, η HVOF επικάλυψη SX316 παρουσιάζει το μικρότερο βάθος αποτυπώματος, ακολουθούμενη από την HVOF SX314. Η Plasma επικάλυψη SX115 επέδειξε την χαμηλότερη αντοχή σε κόπωση. Τα πιο σημαντικά αποτελέσματα για τις εξεταζόμενες επικαλύψεις είναι αυτά που παρουσιάζονται στα σχήματα 9.7 και 9.8, όπου ο καταγράφηκε ο όγκος υλικού που αφαιρέθηκε κατά τη δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης. Η SX316 είναι πιο ανθεκτική και σκληρή από τις άλλες εξεταζόμενες επικαλύψεις και είναι σίγουρο ότι σε εφαρμογές όπου απαιτείται υψηλή αντοχή σε κόπωση (όπως σε αντλίες) η SX316 είναι η καταλληλότερη. Επίσης αποδεικνύεται ότι η σκληρότερη HVOF επικάλυψη (SX314) έχει χαμηλότερη αντοχή σε κόπωση από την πιο μαλακή επικάλυψη HVOF SX316. Σχήμα 9.7: Όγκοι αποτυπωμάτων των εξεταζόμενων επικαλύψεων έπειτα από δοκιμές κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης

105 9.Διερεύνηση δυναμικής αντοχής και ρυθμού φθοράς επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού με την πλάγια κρούση Τέλος, υπολογίστηκε και ο ρυθμός φθοράς των επικαλύψεων. Για τον καθορισμό των ρυθμών αφαίρεσης των επικαλυμμένων στρώσεων, λήφθηκαν υπόψη ο χρόνος σύγκρουσης του σφαιρικού εισβολέα με την επιφάνεια του δοκιμίου, ο αριθμός κρούσεων που είχε το κάθε πείραμα και ο όγκος της επικάλυψης που αφαιρέθηκε σε κάθε περίπτωση. Στο σχήμα 9.9 παρουσιάζονται οι ρυθμοί αφαίρεσης της επικάλυψης για δυνάμεις κρούσης 1000Ν σε κάθετη κρούση και 500 Ν σε πλάγια κρούση γωνίας 15 μοιρών, για διάφορους αριθμούς κρούσεων. Για ένα μικρό αριθμό κρούσεων, οι επικαλύψεις επιδεικνύουν αυξανόμενο ρυθμό αφαίρεσης υλικού αλλά όσο μεγαλώνει ο αριθμός κρούσεων ο ρυθμός αφαίρεσης μειώνεται. Σύμφωνα με τα πειράματα πλάγιας κρούσης στις 15 0 η επικάλυψη SX316 και SX316B έχει την καλύτερη αντοχή, ενώ η SX115 και η SX115Β την χειρότερη Εν κατακλείδι, η αντλία που θα λειτουργεί σε έντονα διαβρωτικό περιβάλλον θα επικαλυφθεί με την HVOF SX316. Όμως για εφαρμογές στην βιομηχανία όπου πρέπει να γίνουν και υπολογισμοί κόστους, δεν προτιμάται η διαδικασία εναπόθεσης HVOF λόγω του ότι η διαδικασία Plasma spraying είναι λιγότερο ακριβή από την HVOF. Σχήμα 9.8: Όγκοι αποτυπωμάτων των εξεταζόμενων επικαλύψεων έπειτα από δοκιμές πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης

106 9.Διερεύνηση δυναμικής αντοχής και ρυθμού φθοράς επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού με την πλάγια κρούση Σχήμα 9.9: Ρυθμοί φθοράς των εξεταζόμενων επικαλύψεων έπειτα από δοκιμές κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης

107 10. Σύνοψη και Συμπεράσματα 10. Σύνοψη και Συμπεράσματα Οι τεχνικές επιφανειακών επικαλύψεων δίνουν τη δυνατότητα να τροποποιηθούν οι ιδιότητες της επιφάνειας των κοπτικών εργαλείων ή των στοιχείων μηχανών στα οποία αυτές εφαρμόζονται και επομένως να επιτυγχάνεται βελτίωση τόσο στην απόδοση όσο και στην αξιοπιστία τους. Σημαντικές παράμετροι που βελτιώνονται με τη διαδικασία επικάλυψης σε ένα κοπτικό εργαλείο π.χ., είναι συνήθως η διάρκεια ζωής και η τριβολογική συμπεριφορά σε σχέση με τα ακάλυπτα εργαλεία. Με σκοπό να επιτευχθεί ένα τέτοιο όφελος, είναι σημαντικό να κατανοηθούν οι ενδοσχετικότητες μεταξύ των ιδιοτήτων επικάλυψης και της απόδοσής της και πως αυτές οι ιδιότητες μπορούν να ελεγχθούν κατά τη διαδικασία εναπόθεσης. Από τις ιδιότητες αυτές, η αντοχή σε φθορά απόξεσης και η συνάφεια είναι ιδιαίτερα σημαντικές στις περισσότερες εφαρμογές. Το δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης αποτελεί μια διάταξη με την οποία μπορεί να εξεταστεί η συμπεριφορά επικαλυμμένων επιφανειών που καταπονούνται με κρουστικά επαναλαμβανόμενα φορτία. Με την εξέλιξη ειδικών ιδιοσυσκευών συγκράτησης των δοκιμίων ώστε η επικαλυμμένη επιφάνεια να βρίσκεται υπό συγκεκριμένη γωνία ως προς τη διεύθυνση της κρούσης, μπορούν να επιτευχθούν νέες καταστάσεις φόρτισης, όπου στην επικαλυμμένη επιφάνεια εφαρμόζονται στη διάρκειά της κρούσης ταυτόχρονα κάθετες και εφαπτομενικές δυνάμεις. Έτσι δημιουργήθηκε στα πλαίσια της παρούσας έρευνας η δοκιμασία της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Η παραπάνω πειραματική μέθοδος συνοδεύεται από ένα πρόσφατα εξελιγμένο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων (FEM) που προβλέπει την αστοχία της επικάλυψης, στο οποίο λαμβάνονται υπόψη οι μηχανικές ιδιότητες των υπαρχόντων υλικών και η δύναμη συνάφειας στη διεπιφάνεια επικάλυψης-υποστρώματος. Κατά τη δοκιμή της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης, οι επικαλύψεις αντιμετωπίζουν συνεκτική αστοχία σε μικρότερα κρουστικά φορτία σε σύγκριση με την κάθετη κρούση λόγω του προκύπτοντος εντονότερου πεδίου τάσεων. Η διάδοση της αφαίρεσης της επικάλυψης εντός του αποτυπώματος της κρούσης είναι ταχύτερη, όταν η δοκιμή γίνεται σε επικαλύψεις κακής συνάφειας για μεγάλες γωνίες κλίσεις. Η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων πειραμάτων πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης για να προκύψουν τα δεδομένα της συνάφειας βασίζεται τόσο σε οπτικές παρατηρήσεις των αποτυπωμάτων που προκύπτουν μετά το πέρας των πειραμάτων, όσο και στην προσομοίωση της πλάγιας κρούσης από το τρισδιάστατου μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων που προαναφέρθηκε. Με τη χρήση των δύο συνιστώμενων μεγεθών

108 10. Σύνοψη και Συμπεράσματα που ορίστηκαν στα πλαίσια της έρευνας, της Συνάφειας Επικάλυψης σε Κρούση (Coating Impact Adhesion CIA) και του Λόγου Στιβαρότητας Επαφής (Contact Stiffness Ratio CSR), οι ιδιότητες συνάφειας μιας PVD επικάλυψης μπορούν να ποσοτικοποιηθούν. Στον έλεγχο της συνάφειας που έγινε σε λειασμένα ή στιλβωμένα υποστρώματα κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου αποδείχθηκε ότι η μικροκοκκοβολή του υποστρώματος πριν την εναπόθεση της επικάλυψης βελτιώνει τη συνάφεια της επικάλυψης, γεγονός που συνεπάγεται αύξηση της διάρκειας ζωής του κοπτικού. Μάλιστα η βελτίωση αυτή αποδείχθηκε ότι είναι μεγαλύτερη στα στιλβωμένα υποστρώματα από ότι στα λειασμένα. Με αυτόν τον τρόπο η δοκιμή της κεκλιμένης επαναλαμβανόμενης κρούσης καθίσταται μια αποτελεσματική μέθοδος για την ταυτόχρονη αξιολόγηση των ιδιοτήτων συνάφειας και συνοχής της επικάλυψης. Παράλληλα, με την κατάλληλη εκλογή των πειραματικών συνθηκών στη δοκιμή πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης, η αντοχή μιας PVD επικάλυψης καλής συνάφειας σε φθορά λόγω μικροαπόξεσης μπορεί να διερευνηθεί με τη ταυτόχρονη συνεισφορά φαινόμενων κόπωσης στη φθορά της επικάλυψης ή ανεξάρτητα από αυτά. Οι κρίσιμες πειραματικές συνθήκες ως προς την κόπωση της επικάλυψης καθορίστηκαν μέσω της κάθετης πρόσκρουσης και ανάλυσης των αντιστοίχων υπολογισμών με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Σε υποκρίσιμα ως προς την κόπωση της επικάλυψης φορτία κρούσης, η επικάλυψη αντιστέκεται για ένα θεωρητικά άπειρο αριθμό κρούσεων σε συνθήκες λίπανσης. Επιπλέον για υποκρίσιμα φορτία κρούσης και χωρίς λίπανση εξελίσσεται φθορά μικροαπόξεσης αργού ρυθμού. Στη περίπτωση αυτή η συμβολή της δύναμης κρούσης και της αντίστοιχης επιφανειακής τάσης στην επικάλυψη μπορούν να παρακολουθηθούν και να ελεγχθούν με μεγάλη ακρίβεια. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν καθιστούν τη δοκιμή πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης μια αποτελεσματική μέθοδο για την διερεύνηση της αντοχής της επικάλυψης σε μικροαπόξεση με ή χωρίς λίπανση. Η δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης εφαρμοζόταν μέχρι πρόσφατα κυρίως σε επικαλυμμένα δοκίμια απλής γεωμετρία, όπως επικαλυμμένα ένθετα κοπτικά πλακίδια και επικαλυμμένες πλάκες ή δίσκους. Στην παρούσα έρευνα, δοκιμές κάθετης και πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης πραγματοποιήθηκαν απευθείας σε PVD επικαλυμμένους δακτυλίους ρουλεμάν. Οι δοκιμές εκτελέστηκαν στην εσωτερική κυλινδρική επιφάνεια του εξωτερικού σταθερού δακτυλίου, καθώς και στην εξωτερική κυλινδρική επιφάνεια του εσωτερικού περιστρεφόμενου δακτυλίου, με τη χρήση κατάλληλων ιδιοσυσκευών συγκράτησης. Η δυνατότητα να ελεγχθούν οι επικαλύψεις όπως αυτές εναποτίθενται στις επιφάνειες των δακτυλίων εδράνων, δηλαδή απευθείας στο τελικό προϊόν, είναι πρωτοποριακή, γιατί η διαδικασία εναπόθεσης PVD επηρεάζει σημαντικά τις ζητούμενες ιδιότητες της επικάλυψης και την συνάφειά της. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν αξιολογήθηκαν και προσδιορίστηκε η οριακή τάση αντοχής σε

109 10. Σύνοψη και Συμπεράσματα κόπωση της επικάλυψης. Η επικάλυψη που εξετάστηκε κατέχει ικανοποιητική απόδοση σε κόπωση, παρόλο που το επιφανειακό στρώμα Ι (a-c:h / a-c:h:cr(cr,c) grad) έχει περιορισμένη αντοχή σε κόπωση. Η συνάφεια της επικάλυψης διερευνήθηκε μέσω δοκιμών πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης και ποσοτικοποιήθηκε με το λόγο στιβαρότητας επαφής CSR, ο οποίος υπολογίστηκε μέσω του FEM-υποστηριζόμενου αλγόριθμου που εξελίχθηκε στα πλαίσια της παρούσας εργασίας. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που προέκυψαν, η συνάφεια της επικάλυψης μπορεί να θεωρηθεί ανεπαρκής. Η μεθοδολογία που περιγράφεται καθιστά την δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης ως μια βολική και αποτελεσματική μέθοδο για τον χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων συνάφειας και κόπωσης των PVD επικαλύψεων, που έχουν εναποτεθεί σε τεμάχια σύνθετης γεωμετρίας, όπως τους δακτυλίους εδράνων κύλισης. Μέσω του δοκιμαστηρίου κάθετης και πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης μελετήθηκαν επίσης και επικαλύψεις θερμικού ψεκασμού. Στη διαδικασία αξιολόγησής των πειραμάτων που έγιναν σε τρεις διαφορετικές επικαλύψεις, (Atmospheric Plasma και HVOF) λήφθηκαν υπόψη τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των αποτυπωμάτων που δημιουργήθηκαν λόγω των πειραμάτων αυτών. Βασιζόμενοι στη διαδικασία αυτή, εξήχθησαν ακριβή αποτελέσματα σχετικά με την συμπεριφορά σε φθορά των εξεταζόμενων επικαλύψεων. Μέσω της διερεύνησης και αξιολόγησης που πραγματοποιήθηκε, καθορίστηκε ποια από τις τρεις επικαλύψεις που εξετάστηκαν ήταν η καλύτερη για την επικάλυψη πτερυγίων αντλίας από χυτοσίδηρο που θα λειτουργεί σε περιβάλλον με έντονη μηχανική φθορά (abrasion)

110 11. Βιβλιογραφία 1. Κ.-Δ. Μπουζάκης, Μορφοποιήσεις με αφαίρεση υλικού, 2 η Έκδοση, Εκδόσεις ΖΗΤΗ Θεσσαλονίκη, Η. G. Prengel, W. R. Pfouts, A. T. Santhanam, State of the art in hard coatings for carbide cutting tools, Surface and Coatings Technology, 102 (1998), A. Edermir, O. L. Eryilmaz, I. B. Nilufer, G. R. Fenske, Synthesis of superlow-friction carbon films from highly hybrogenated methane plasmas, Surface and Coatings Technology, (2000), A. Igartua, J. Laucirica, A. Aranzabe, T. Leyendecker, O. Lemmer, G. Erkens, M. Weck, G. Hanrath, Application of low temperature PVD coatings in rolling bearings: tribological tests and experiences with spindle bearing systems, Surface and Coatings Technology (1996) Rointan F. Bunshah, Handbook of Hard Coatings, Noyes Publications / William Andrew Publishing, LLC, Norwich, New York, USA (2001). 6. K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, N. Vidakis, K. Efstathiou, T. Leyendecker, G. Erkens, R. Wenke, H.-G. Fuss, Optimization of the cutting edge radius of PVD coated inserts considering film fatigue failure mechanisms, Surface and Coatings Technology, (2000) K. D. Bouzakis, N. Michailidis, S. Hadjiyiannis, E. Pavlidou, G. Erkens, An effective way to improve the cutting performance of coated tools through annealing, Surface and Coatings Technology, (2001) K.A. Pischow, L. Eriksson, E. Harju, A. S. Korhonen, E. O. Ristolainen, The influence of titanium interlayers on the adhesion of PVD TiN coatings on oxidized stainless steel substrates, Surface and Coatings Technology, 58 (1993) Ο. Knotek, B. Bosserhoff, A. Schrey, T., Leyendecker, O. Lemmer, S. Esser, A new technique for testing the impact load of thin films: the coating impact test, Surface and Coating Technology, (1992), Bouzakis, K. D., Vidakis, N., David, K., The concept of an advanced impact tester supported by evaluation software for the fatigue strength characterization of hard layered media, Thin Solid Films, (1999), Βιδάκης Ν., Προσδιορισμός της αντοχής σε κόπωση σκληρών λεπτών επικαλύψεων για τον υπολογισμό της διάρκειας ζωής τους σε υβριδικά έδρανα κύλισης υψηλόστροφων ατράκτων εργαλειομηχανών, Διδακτορική διατριβή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, A. Lontos, A. Siganos, S. Hadjiyiannis, G. Giannopoulos, G. Maliaris, T. Leyentecker, G. Erkens, Characterization of Cohesion,

111 Adhesion and Creep-Properties of Dynamically Loaded Coatings through the Impact Tester, Zeitschrift fuer Metallkunde, 92, (2001) 10, O. Knotek, K. D. Bouzakis, K. David, A. Lontos, N. Michailidis, A. Siganos, T. Leyendecker, G. Erkens, Control of adhesion and structure of PVD wear resistant coatings by an improved impact tester, Plasma Surface Engineering (PSE) 2000 Conference, September 17-21, Garmish- Partenkirchen (oral presentation). 14. K. D. Bouzakis, N. Vidakis, T. Leyendecker, O. Lemmer, H. -G. Fuss, G. Erkens, Determination of the fatigue behaviour of thin hard coatings using the impact test and a FEM simulation, Surface and Coating Technology, (1996) K. D. Bouzakis, N. Vidakis, T. Leyendecker, G. Erkens, R. Wenke, Determination of the fatigue properties of multiplayer PVD coatings on various substrates, based on the impact test and its FEM simulation, Thin Solid Films, (1997), Ν. Μιχαηλίδης, Εξέλιξη πειραματικών αναλυτικών διαδικασιών προσδιορισμού μηχανικών ιδιοτήτων σκληρών λεπτών PVD επικαλυψεων και διερεύνηση των μηχανισμών αστοχίας τους κατά την κοπή, Διδακτορική διατριβή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Κ. D. Bouzakis, N. Michailidis, S. Hadjiyiannis, K. Efstathiou, E. Pavlidou, G. Erkens, S, Rambadt, I. Wirth, Improvement of PVD coated inserts cutting performance, through appropriate mechanical treatments of substrate and coating surface, Surface and Coating Technology, (2001), Κ. D. Bouzakis, N. Michailidis, S. Hadjiyiannis, K. Efstathiou, E. Pavlidou, G. Erkens, S, Rambadt, I. Wirth, PVD coated inserts cutting performance improvement, by means of substrate and coating surface mechanical treatments, Proceedings of the international conference THE Coatings in Manufacturing Engineering, held 9-10 May in Hannover, 2001, T5/ Α. Λόντος, Προσδιορισμός ιδιοτήτων ερπυσμού επικαλύψεων παραγόμενων μέσω θερμικού ψεκασμού και βέλτιστη επιλογή των παχών τους, Διδακτορική διατριβή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Κ. D. Bouzakis, A. Lontos, V. Kechagias, Creep behaviour prediction and optimum design of plasma spayed coatings with intermediate bonding layer, Surface and Coating Technology, (2001), K. D. Bouzakis, A. Lontos, N. Vidakis, K. David, V. Kechagias, Determination of creep behaviour of monolayer thick plasma sprayed coatings, by means of the impact test and an analytical FEM supported evaluation procedure, Thin Solid Films, (2000), K.-D. Bouzakis, A. Lontos, Creep behavior determination of monolayer plasma sprayed coatings under dynamic or static loads, Proceedings of the 3 rd International Conference

112 THE Coatings in Manufacturing Engineering, November 2002, Thessaloniki, Greece, Α. Σιγανός, Πειραματική-Θεωρητική διερεύνηση των μηχανισμών αστοχίας κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης για τον έλεγχο συνοχής λεπτών σκληρών επικαλύψεων, Διδακτορική διατριβή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, K.-D. Bouzakis, A. Siganos, Fracture initiation mechanisms of thin hard coatings during the impact test, Surface and Coatings Technology, 185 (2004) K.-D. Bouzakis, A. Siganos, T. Leyendecker, G. Erkens, Thin hard coatings fracture propagation during the impact test, Thin Solid Films, 460 (2004) Μ.Ζ. Huq, C. Butaye, J. P. Celis, An innovative system for fretting wear testing under oscillating normal force, Journal of Material Research, Vol. 15, No. 7,2000, pp R. Bantle, A. Matthews, Investigations into the impact wear behaviour of ceramic coatings, Surface and Coatings Technology, (1995) Α. Α. Voevodin, R. Bantle, A. Mathews, Dynamic impact wear of TiC x N y and Ti-DLC composite coatings, Wear, 185 (1995) K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, S. Hadjiyiannis, E. Pavlidou, G. Erkens, An effective way to improve the cutting performance of coated tools through annealing, Surface and Coatings Technology (2001) K.-D. Bouzakis, A. Asimakopoulos, M. Batsiolas, Characterization of fatigue and adhesion properties of a-c:h/crn coatings on bearing rings by impact tests, Surface & Coatings Technology 202 (2008) Βαφειάδης Σωτήρης, Έλεγχος επικαλυμμένων δακτυλίων υδροδυναμικών εδράνων, μέσω της δοκιμής επαναλαμβανόμενης κρούσης, Διπλωματική εργασία 7/2007, ΕΕΔΜ, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών ΑΠΘ. 32. G. Montavon, C. Coddet, Quantification of particle morphologies in view of quality control of the thermal spray process, Materials Characterization 36 (1996) C. Moreau, P. Cielo, M. Lamontagne, Flattening and solidification of thermally sprayed particles, Journal of Thermal Spray Technology 1 (1992) Η. Η. Gatzen, M. Beck, DLC Coating Technology for cutting tools, Proceedings of the international conference THE Coatings in Manufacturing Engineering, held 9-10 May in Hannover, 2001,C2/ Microsoft Encarta Encyclopedia (2008) 36. H. Ronkainen, S. Varjus, J. Koskinen, H. Holmberg, Differentiating the tribological performance of hydrogenated and hydrogen-free DLC coatings, Wear 249 (2001) Κ. Vercammen, H. Haefke, Y. Gerbig, A. Van Hulsel, E. Pflueger, J. Meneve, A comparative study of state-of-the-art diamond-like carbon films, Surface and Coatings Technology (2000)

113 38. J.C. Sanchez-Lopez, C. Donnet, J.L. Loubet, M. Belin, A. Grill, V. Patel, C. Jahnes, Tirbological and mechanical properties of diamond-like carbon prepared by high density plasma, Diamond and Related Materials 10 (2001) Υ. Liu, A. Erdermir, E. Meletis, Influence of environmental parameters on the frictional behavior of DLC coatings, Surface and Coating Technology (1997) B. H. Lung, M. J. Chiang, M. H. Hon, Growth characterization and properties of diamondlike carbon films by electron cyclotron resonance chemical vapor deposition, Thin Solid Films 391 (2001) Chi-Lung Chang, Da-Yung Wang, Microstructure and adhesion characteristics of diamond-like carbon films deposited on steel substrates, Diamond and Related Materials, 10 (2001), Αlfred Grill, Diamond-like carbon: State of the art, Diamond and related materials 8 (1999), Li-ye Huang, Ke-wei Xu, Jian Lu, Bruno Guelorget, Hua Chen, Nanoscratch and fretting wear of DLC coatings for biomedical applications, Diamond and Related Materials 10 (2001) H. Ronkainen, S. Varjus, H. Holmberg, Tribological performance of different DLC coatings in water-lubricated conditions, Wear 249 (2001) F. Dimofte, Wave Journal Bearing with Combressible Lubricant; Part I: The Wave Bearing Concept and a Comparison to the Plain Circular Bearing, STLE Tribology Trans. Vol. 38 (1995) M. van Stappen, L. M. Stals, M. Kerkhofs, C. Quaeyhaegens, State of the art for the industrial use of ceramic PVD coatings, Surface and Coating Technology 74 (1995) L. Hultman, Thermal stability of nitride thin films, Vacuum, 57 (2000), J Sturgeon, High velocity oxyfuel spraying promises better coatings, 1992, Metals and Materials (Institute of Metals) vol.8, Issue 10, pp O. C. Brandt, Mechanical properties of HVOF coatings, 1996, International Journal of Fatigue, vol.18, Issue 6, pp L. Hernández, F. Oliveira, J. A. Berrios, C. Villalobos, A. Pertuz, E. S. Puchi Cabrera, Fatigue properties of a 4340 steel coated with a Colmonoy 88 deposit applied by highvelocity oxygen fuel, 2000, Surface and Coatings Technology, vol , pp R.G. Bayer, Mechanical wear prediction and prevention, Marcel Dekker Inc, New York, 1994,

114 54. Κ. Kato, Wear Mechanism, New Directions in Tribology, editor: I.M. Hutchings, (1997) Rong Liu, D.Y. Li, Modification of Archard s equation by taking into account of elastic/pseudoelastic properties of materials, Wear, 251 (2001) K. Brookes, Word directory and handbook of hardmetals, 4 th edition, Publ.: International Carbide Data, (1987). 57. G. Gille, B. Szesny, K. Dreyer, H. van den Berg, J. Schmidt, T. Gestrich G. Leitner, Submicron and ultrafine grained hardmetals for microdrills and metal cutting inserts, International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 20 (2002) Ρ. Γραικούσης, Στοιχεία μηχανών, τόμος ΙΙ, στοιχεία περιστροφικής κινήσεως, Εκδόσεις Γιαχούδη-Γιαπούλη, Aramaki H., Shoda Y., Morishita Y., Sawamoto T., The performance of Ball Bearings With Silicon Nitride Ceramic Balls in High Speed Spindles for Machine Tools, Journal of Tribology 110 (1988) Bhusan B., Sibley L. B., Silicon Nitride Rolling Bearings for Extreme Operating Conditions, ASLE transactions 25 (1981): Weck M., Koch A., Spindle-Bearing Systems for High-Speed Applications in Machine Tools, Annals of the CIRP 42 (1993) Hill D. L., Baskharone E.A., Andres L. S,, Inertia Effects in a Hybrid Bearing With a 45 Degree Entrance, Journal of Tribology 117 (1995) Houpert L. G., Flamand L., Berthe D., Rheological and Thermal Effects in Lubricated E.H.D. Contacts, Journal of Lubrication Technology 103 (1981) Krantz T., Cooper C., Townsend D., Hansen B., Increased Surface Fatigue Lives of Spur Gears by Application of a coating, Transactions of ASME, Journal of Mechanical Design 126, 4: Scott W. R., Myth and Miracles of Gear Coatings, Gear Technology, July/August 1999, pp Grill A.,Tribology of Diamond Like Carbon and Related Materials: An Update Review, Surface and Coatings Technology (1997) Dimofte F., Handschuh R. F., Jo Long-Davis M., DeTardo Ch. J., Test of pvd coatings in the Wave Wearing Environment, part I, Proceeding of the 5 th International Conference THE Coatings in Manufacturing Engineering (2005) Dimofte F., Handschuh R. F., Jo Long-Davis M., DeTardo Ch. J., Test of pvd coatings in the Wave Wearing Environment, part II, Proceeding of the 5 th International Conference THE Coatings in Manufacturing Engineering (2005) Verein Deutscher Ingenieure, 1991, VDI

115 70. J. Sekler, P.A. Steinmann, H.E. Hintermann, The Scratch Test: Different Critical Load Determination Techniques, Surface and Coatings Technology, 36 (1988) pp K. D. Bouzakis, A. Asimakopoulos, N. Michailidis, S. Kompogiannis, G. Malliaris, G. Giannopoulos, E. Pavlidou, G. Erkens, The inclined impact test, an efficient method to characterize coatings cohesion and adhesion properties, Thin solid films, (2004) pp E. Zanoria and L. Seitzman, Characterization of thin metallurgical coating systems by repetitive inclined impact test in dry condition, Surface and Coatings Technology, 182 (2004) pp Κ.-D. Bouzakis, A. Siganos, O. Knotek, E. Lugscheider, T. Leyendecker, G. Erkens, Evaluation of thin C- and diamond coatings by impact testing, Proceedings by 1st ICMEN Conference, editor K. D. Bouzakis, 3-4 October 2002, pp K.-D. Bouzakis, A. Siganos, T. Leyendecker, G. Erkens, Examination of Superficial layer effect on nitride coatings failure mechanism during impact testing, Proceedings of the 3rd International Conference THE Coatings in Manufacturing Engineering, November 2002, Thessaloniki, Greece, Ιωάννης Αναστόπουλος, Αύξηση διάρκειας ζωής Κοπτικών εργαλείων μέσω PVD επικαλύψεων με μονο- και πολυστρωματικές δομές, με διάφορες χημικές συστάσεις καθώς και μηχανικές ιδιότητες, Διδακτορική διατριβή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, HELMUT FISCHER GmbH +Co, Evaluation Manual of Indentation Procedure, Germany Sindelfingen W.C. Oliver, G.M. Pharr, An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments, J. Mater. Res., 7 (1992) W.C. Oliver, G.M. Pharr, F.R. Brotzen, On the generality of the relationship among contact stiffness, contact area, and elastic modulus during indentation, J. Mater. Res., 7 (1992) J. Alcala, A. E. Giannakopoulos, S. Suresh, Continuous measurements of loadpenetration curves with spherical microindenters and the estimation of mechanical properties, J. Mater. Res., 13 (1998) T. Chudoba, N. Schwarzer, F. Richter, Determination of elastic properties of thin films by indentation measurements with a spherical indenter, Surface and Coatings Technology, 127 (2000) M.V. Swain, J. Mencik, Mechanical property characterization of thin films using spherical tipped indenters, Thin Solid Films, 253 (1994)

116 82. J.R. Cahoon, W.H. Broughton, A.R. Kutzak, The determination of yield strength from hardness measurements, Metallurgical Transactions, 2 (1971) W. J. Tomlinson, K. Talbot, On the relation between hardness and the flow curve of metals, Journal of Materials Science 3, Letters: , (1968). 84. D. Tabor, The hardness of metals, Clarendon press, Oxford, (1951). 85. Κ. D. Bouzakis, N. Michailidis, G. Erkens, Thin hard coatings stress-strain curves determination through a FEM supported evaluation of nanohardness results, Surface and Coatings Technology, (2001) K. D. Bouzakis, N. Michailidis, S. Hadjiyiannis, G. Erkens, Coatings stress-strain curves determination based on a FEM supported evaluation of nanohardness results and herewith interpretation of the coating performance in impact testing, 1 st National Conference on Recent Advances in Mechanical Engineering, ASME Greek Section, September 2001, Patra, 2001, p: Κ. D. Bouzakis, N. Michailidis, G. Erkens, Material and coating characterization by means of nanoindentation s, Festschrift anlässlich des 60, Geburstags von Professor Manfred Geiger, Idee-Vision-Innovation, Herausgeber: Frank Vollersten, Matthias Kleinerm, Verlag Meisenbach, (2001), pp K. D. Bouzakis, N. Michailidis, S. Hadjiyiannis, G. Skordaris, G. Erkens, A Continuous FEM simulation of the nanoindentation to determine actual indenter tip geometries, material elastoplastic deformation laws and universal hardness, Zeitschrift fuer Metallkunde, 93 (2002) 9, K. D. Bouzakis, N. Michailidis, S. Hadjiyiannis, G. Skordaris, G. Erkens, The effect of the specimen roughness and the indenter tip geometry on the determination accuracy of thin hard coatings stress-strain curves by means of nanoindentations, Proceedings of the 3 rd International Conference THE Coatings in Manufacturing Engineering, November 2002, Thessaloniki, Greece, K. D. Bouzakis, S. Hadjiyiannis, G. Skordaris, I. Mirisidis, N. Michailidis, G. Erkens, Wear development on cemented carbide inserts, coated with variable film thickness in the cutting edge region, Surface and Coatings Technology, (2004) Σ. Χατζηγιάννης, Προσδιορισμός κατανομών μηχανικών ιδιοτήτων στην κατεύθυνση του βάθους PVD επικαλύψεων μέσω νανοδιεισδύσεων και εξήγηση της συμπεριφοράς φθοράς τους κατά τη δοκιμασία της επαναλαμβανόμενης κρούσης και το φραιζάρισμα, Διδακτορική διατριβή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Taylor Hobson PNEUMO, Manual of roughness measurement device: Surtronic 3+, P.O. Box 36 Leicester England,

117 94. E. Lugscheider, O. Knotek, C. Wolff, S. Barwulf, Structure and properties of PVDcoatings by means of impact tester, Surface and Coatings Technology, (1999) pp J. C. A. Batista, C. Godoy, A. Matthews, Impact testing of duplex and non-duplex (Ti,Al)N and Cr N PVD coatings, Surface and Coatings Technology, (2003) pp K.-D. Bouzakis, A. Lontos, N. Michailidis, O. Knotek, E. Lugscheider, K. Bobzin, Determination of mechanical properties of electron beam-physical vapor depositionthermal barrier coatings (EB-PVD-TBCs) by means of nanoindention and impact testing, Surface and Coatings Technology, (2003) pp ANSYS 9.0 Online Help Documentation, Element Reference. 98. K.-D. Bouzakis, G. Skordaris, N. Michailidis, A. Asimakopoulos, G. Erkens, Effect on PVD coated cemented carbide inserts cutting performance of micro-blasting and lapping of their substrates, Surface and Coatings Technology, 200 (2005) K. -D. Bouzakis, N. Michailidis, S. Hadjiyiannis, G. Skordaris, G. Erkens, The effect of specimen roughness and indenter tip geometry on the determination accuracy of thin hard coatings stress-strain laws by nanoindentation, Materials Characterization 49 (2002) pp K.-D. Bouzakis, A. Asimakopoulos, G. Skordaris, E. Pavlidou, G. Erkens, The inclined impact test: A novel method for the quantification of the adhesion properties of PVD films, Wear 262 (2007) K.-D. Bouzakis, K. Efstathiou, N. Vidakis, D. Kallinikidis, S. Angos, T. Leyendecker, G. Erkens, H. Fuss, Experimental and FEM analysis of the fatigue behaviour of PVD coatings on HSS substrate in milling, Annals of the CIRP, 47 (1998) pp K.-D. Bouzakis, K. Efstathiou, Ν. Vidakis, The failure mechanism of PVD coated hardmetal inserts in milling, Tribology in Industry, 19 (1997) pp K.-D. Bouzakis, A. Asimakopoulos, G. Skordaris, E. Pavlidou, G. Erkens, Microabrasion of Coatings Investigated by the Inclined Impact Test at Various Loads under Dry and Lubricated Conditions, Plasma Processes and Polymers, 4 (2007) S840 S H.E. Hintermann, H.J. Boving, W. Hänni, Wear-resistant coatings for bearing applications, Wear 48 (1978) H.E. Hintermann, H.J. Boving, G. Stehle, TiC coated ball-bearings for spin-axis gyroapplications, Lubrication Engineering 39 (1981) K.-D. Bouzakis, S. Mitsi, N. Vidakis, Fatigue prediction of thin hard coatings on the steel races of hybrid bearings used in high speed machine tool spindles, Journal of Tribology 120 (1998)

118 107. G. Erkens, Doctoral Thesis RWTH Aachen, PVD process technique to coat spindle bearings below 160 0C, 1999, ISBN K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, A. Lontos, S. Mitsi, K. David, Implementation of low temperature-deposited coating fatigue parameters in commercial roller bearings catalogues, Surface and Coatings Technology (2000) K.-D. Bouzakis, G. Skordaris, N. Michailidis, A FEM based simulation of nanoindentation to determine superficial gradation of strength properties, 5th International Conference THE Coatings proceedings (2005) , ISBN J.B. Cheng, B.S. Xu, X.B. Liang and Y.X. Wu A, Microstructure and mechanical characteristics of iron-based coating prepared by plasma transferred arc cladding process, Materials Science and Engineering, 492-Issues 1-2 (2008)

119 ARISTOTELES UNIVERSITY OF THESSALONIKI (A.U.TH.) MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT LABORATORY FOR MACHINE TOOLS AND MANUFACTURING ENGINEERING ANTONIOS V. ASIMAKOPOULOS Dipl. Mechanical Engineer (Α.U.TH.) DEVELOPMENT OF THE INCLINED IMPACT TEST FOR THE ADHESION AND MICROABRASION FAILURE MODES INVESTIGATION OF THIN HARD COATINGS DEPOSITED ON CUTTING INSERTS AND MACHINE ELEMENTS DOCTORAL DISSERTATION EXTENDED SUMMARY SUBMITTED TO THE MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT OF THE ARISTOTELES UNIVERSITY OF THESSALONIKI (Α.U.TH.) THESSALONIKI 11 MAY 2009

120 12. Extended Summary in English Extended Summary in English Development of the inclined impact test for the adhesion and microabrasion failure modes investigation of thin hard coatings deposited on cutting inserts and machine elements Abstract Doctoral thesis of Dipl. Mech. Engineer A. Asimakopoulos The impact test, supported by its finite elements method (FEM) simulation, has been successfully used to characterize the fatigue performance of coatings. In this test the load is exercised perpendicularly to the coated surface by a cemented carbide ball. In the inclined impact test the successive impacts are applied on an inclined surface. In this way, the coated surfaces are loaded vertically and tangentially simultaneously. The coating fatigue failure modes were classified by means of scanning electron microscopy observations and energy dispersive X-ray spectroscopy microanalyses. To calculate the occurring stress distribution in the loaded film s and substrate s region, an appropriate Finite Elements Method (FEM) simulation was developed, which considers the mechanical elastic-plastic properties of all involved materials. The adhesion properties of the coating and substrate interface are also simulated through appropriate contact elements. In this way, critical equivalent stresses leading to a coating damage can be determined and moreover, the Contact Stiffness Ratio (CSR) of the tangential to the normal stiffness between film and substrate can be quantified. This magnitude describes the adhesion strength and was further experimentally-analytically determined for coatings deposited on various adherent substrates. Further, with the aid of the Coating Impact Adhesion (CIA) metric, the film adhesion can be qualitatively characterized and correlated to the film contact stiffness ratio. Τhe abrasive wear of a well-adherent (Ti 46 Al 54 )N coating was investigated by the inclined impact test, at impact loads higher, equal or lower than the fatigue critical impact load of the applied film. These investigations were conducted for few thousands up to several millions of impacts both under dry and lubricated conditions. The obtained results render the inclined impact test a very efficient method for detecting coating resistance against impact micro abrasion, with or without lubrication and according to the test conditions for the synchronous contribution of fatigue phenomena to the film wear. This impact test is mainly applied on coated specimens with simple geometries such as of cutting inserts and coated plates. In the described investigations, perpendicular and inclined impact tests were conducted directly on PVD coated bearing rings. The tests were performed with the aid of appropriate fixtures on the internal cylindrical surface of the outer bearing ring, as well as on the external one of the inner ring. The film fatigue endurance stress was determined and the coating s adhesion was quantified. The mechanical properties of the applied thin films and substrates, used in the FEM calculations, were detected by nanoindentations and appropriate results evaluation. Nowadays, Plasma and HVOF coatings provide cost-effective solutions to a variety of manufacturing problems concerning many industries. Such coatings are used in applications where, among others, toughness, durability, corrosion and erosion resistance are required. Through the use of such coatings, items such as drums, rollers, guide plates, vats and pumps can exhibit improved wear performance. The research work initially deals with the determination of the mechanical properties of Plasma and HVOF metal coatings, though nanoindentations and the calculation of the characteristic values of the resulting stress-strain curves using Finite Element Simulation (FEM) of the nanoindentations. Perpendicular and inclined impact tests were applied to the coatings to determine their fatigue performance, taking into account the geometric characteristics of the imprints made by the tests. The use of the geometric characteristics of the imprints has proved to be a reliable method of evaluating the fatigue behavior of the aforementioned coatings, which, combined with nanoindentation simulation, leads to accurate results. With this new approach of evaluating the fatigue performance of thick metal coatings, the most suitable coating can be confidently selected to be used in applications of varying dynamic loads. 1. Introduction The impact tester is applied as a convenient method for the characterization of coatings fatigue properties /1-5/. Furthermore, coating cohesive and adhesive failure modes can be elucidated through this test /6/. Valuable results arise also from the use of the impact test to predict the cutting performance of coated cutting tools /6/. Concerning thick coatings, creep behavior determination builds another interesting application area /7/. In previous investigations /6/, the impact tester was applied as a coating cohesion and adhesion test, where the adhesion strength in the coating-substrate interface was described by means of FEM supported calculations using appropriate contact elements. On the one hand, in the case of a cemented carbides polished substrate, with elevated superficial Co-content and a poor coating adhesion, the coating failure appeared in distinct regions inside the imprint circumference. On the other hand, in the case of a diminished Co-content on the substrate surface, achieved through micro-blasting, an enhanced adhesion occurred and the first coating failure appeared near the impact crater vicinity. These coating damage alterations, induced by the film adhesion characteristics, were possible to be - 1 -

121 12. Extended Summary in English theoretically elucidated by means of the mentioned FEMsupported calculations. According to these calculations, the position of the maximum developed stresses in the investigated coating - substrate combination was displaced in the case of a poor adhesion from the crater vicinity towards the crater center /6/. These results gave the idea to further affect the occurrence during the impact test stress distribution in the coating, applying simultaneously normal and tangential loads during this test. In this way, the effect of a poor adhesion on the film impact damage modes could be more distinct. Thus, the inclined impact test was originated in order to enable an effective evaluation of the cohesive and at the same time of the adhesive coating strength. 2. The impact test perpendicular or obliquely on coated surfaces The used impact tester device is presented in figure 1a. During the impact test a cemented carbides ball indenter penetrates periodically into the coating under a desired maximum load /1,2/. Due to the plastic deformation that develops during the loading stage, the contact area does not fully recover to its initial plane shape, forming herewith a permanent concave imprint. The power supply module supports the whole experimental arrangement. The output voltage of this module is fully controllable, with the aid of a variable transformer, in order to achieve the different impact forces on the impact tester module. In addition, the control module supervises the whole experimental procedure. This module consists of a Figure 2: Definition of the coating failed area within the imprint, by means of the algorithm WEPROC. personal computer (PC) equipped with a PID (Proportional, Integral, Differential) controller. With the aid of this controller it is possible to turn on/off the whole test arrangement, to adjust the output voltage on the variable transformer through a DC (Direct Current) motor, to conduct measurements of current, forces and temperature inside the impact tester. The impact tester is supplied by a fully automated software named ITEC, which enables the determination of coatings fatigue properties in form of Smith and Woehler diagrams (see figure 1b) /1/, based on the FEM simulation of the impact tester. Figure 1: The impact tester working principle and its FEM simulation to determine fatigue properties of coatings The failure extent in the impact test imprint is described through the failed area ratio FR, which is defined as the ratio of the region in which the substrate is revealed versus the overall contact area (see figure 2). This ratio is determined automatically with the aid of the developed algorithm WEPROC (WEar PROpagation Code) /8/. The working principle of the WEPROC software is based on - 2 -

122 12. Extended Summary in English the fact that the colors of Scanning Electron Microscopy (SEM) micrographs, especially of back-scattered ones, depend on the materials and in turn on the individual layers deposited on the surface. The analysis of the color density inside the crater area was used in order to determine the percentage of each coating layer revealed in the crater area and thus to calculate the failed area ratio FR /2,8/. Furthermore, the algorithm performs the color density analysis inside the contact circle and the results are illustrated in the color frequency chart and listed as well (see figure 2b and 2c respectively). Herein, the range of colors that correspond to each layer has been specified, by means of EDX-investigations on ballcratering test imprints. In order to enable inclined impact test investigations, an appropriate test rig for the coated workpieces was constructed. This test rig is illustrated in figure 3a. In order to simulate the contact of a ball penetrating into the specimen, a three-dimensional model was created, with a rigid film-substrate interface, considering the mechanical elastic-plastic properties of the coating, the substrate, and of the ball indenter. Using this model, the developed contact loads between the ball and the coated surface were determined, as shown in figure 3b. Moreover, these data were further applied in a similar FEM model, with suitable contact elements between the coating and substrate surfaces, as shown in figure 3c. The applied contact elements are characterized by the normal cs n and the tangential cs t contact stiffness /9/. The impact force, during the inclined impact test, is analyzed into the normal component Fn and the tangential one Ft, with their absolute values depending on the inclination angle θ (see figure 4). These force components for various impact loads versus the inclination angle θ are presented in the diagrams of this Figure 4: Normal and tangential force components over the applied impact load versus the inclination angle θ. figure. As it can be observed, the tangential impact force component Ft is relatively low up to an inclination angle of 15 degrees, however produces intense adhesion problems, which can be detected through the resulting during the inclined impact test earlier coating failure in the case of poor adherent coatings, as it will be presented in the following sections. 3. Coating cohesive and adhesive fracture initiation and film removal propagation in the inclined impact test Figure 3: The applied test rig in the inclined impact test and its 3D FEM simulation. The coating removal propagation, after the fracture initiation due to fatigue /1,2/, can be attributed to its local overstressing owing to excessive relevant motion of the ball indenter to the coating surface. This motion is monitored through the developed 3D FEM simulation of the inclined impact test and is illustrated in figure 5a. According to these results, an enhanced film removal is expected in the bottom contact circle area, due to the existence of more intense relative motions between the ball indenter and the coating in this region. SEM photographs taken at the contact region in the top and the bottom imprint region after 10 5 impacts at an inclination angle of 15 0 verify the previous expectation - 3 -

123 12. Extended Summary in English Figure 6: Coating fatigue endurance limit determination and occurring stresses during the inclined impact test. Figure 5: FEM determined relative motions of the ball indenter to the coating surface during the inclined impact test and related SEM micrographs. (see figure 5b). The scratches on the coating surface, associated to the relative motions of the ball to the coating surface, are more intense in the bottom imprint region, where the film is almost completely removed in comparison to the top crater area, where a smoother coating removal can be observed. In the case of a well-adherent coated specimen, the film fatigue endurance was determined by means of the perpendicular impact test /1,2,8/. The corresponding coating Woehler diagram is presented in figure 6a. According to this diagram, the coating fatigue stress limit amounts approximately to 3.1 GPa. The experimental procedure revealed that the coating can operate without damage after 1 million impacts below this fatigue endurance limit, corresponding to impact forces lower than 42 dan. The occurring von Mises equivalent stresses during the impact test, at various impact forces versus the inclination angle, is presented in figure 6b. These stresses were determined by means of the developed 3D FEM model simulating the inclined impact test. The steady increase of the occurring stress versus the inclination angle is more intense at higher impact loads. Hence, a cohesive coating failure in the inclined impact is expected to appear at lower impact loads is obvious, as already mentioned. Figure 7 demonstrates the coating removal propagation during the impact test at an inclination angle of 10 degrees at a relatively low impact load of 20 dan, in the cases of a well- and a poor-adherent coating /6/. The well-adherent coating withstands much better the applied loads and has a lower removal propagation rate, compared to the poor-adherent coating. This can be also observed in the SEM micrographs presented in the bottom figure part. In this way, a poor coating adhesion can be identified through a comparison of the removal rate in the inclined impact test to the corresponding one in the case of a well-adherent film. Such a comparative presentation of the coatings removal propagations, versus the number of impacts, at various inclination angles and impact loads, is conducted in the cases of a well- and a poor-adherent coating in figure 8. In the left figure part, the occurring coating removal propagation rates at an impact force of 20 dan in both coating adhesion cases, are presented. It is obvious that in all the examined inclination angles, there is a significant deviation in the courses of the coating removal propagations, with the poor-adherent coating having the - 4 -

124 12. Extended Summary in English Figure 7: Coating removal propagation during the impact test and corresponding SEM micrographs for well- and poor-adherent films. worst behavior. In the right figure part, the corresponding coating wear propagations are presented at a higher impact force. Due to the fact that this impact load leads to a maximum stress, higher than the coating endurance stress limit in both coating cases, a fast film fracture occurs already at an inclination angle of 5 0. However, in the poor adhesion coating case, the removal propagation is more intense. Herein, the Coating Impact Adhesion (CIA) can be used to quantify the extent of a pooradherent coating removal, at a given inclination angle, impact force and number of impacts, compared to the corresponding coating removal of a well-adherent film. For example, in the case of an inclination angle of 15 o, 20 dan impact force and 10 5 number of impacts, the CIA amounts to 40%, whereas in the case of the same inclination angle, however at higher impact force (38 dan) and lower number of impacts (0.5x105) to 50%. 4. Quantification of the adhesion strength of coated specimens 4.1 Material data and inclined impact test results The coating s and substrate s stress-strain material data applied in the described investigations, were determined through evaluation of nanoindentation results, by the Figure 8: Comparison of the inclined impact performance of well-and poor-adherent coatings, at various impact loads and inclination angles. FEM-based SSCUBONI algorithm are exhibited in figure 9a. The elasticity modulus E as well as the yield stress S Y and the rapture one S max are displayed at the table of the figure. These data were further used to determine the film fatigue endurance by the ITEC+ software. The calculated Smith and Woehler diagrams of the applied coating are shown in figure 9b. According to these results, for repetitive loads between zero and a maximum stress value, the fatigue stress amounts to approximately 2.8 GPa. The mechanical treatments, applied on the cemented carbide inserts used in the conducted investigations are exhibited in figure 10a. Herein, ground, polished and micro-blasted substrates were applied, according to the manufacturing data shown in the figure. The corresponding roughness measurement results are displayed in the table of figure 10b. Taking into account published investigations results /10/, the poorest film adhesion is expected in the polished (p) substrate case, whereas the best one appears in the polished and additionally micro-blasted (p+b) superficial substrate treatment. The inclined impact test was applied to facilitate the adhesion characterization of films deposited on these various adherent substrates,. In order to reduce the test duration and simultaneously to obtain film removal rates, - 5 -

125 12. Extended Summary in English Figure 9: (a) Superficial mechanical strength data of the applied coating and substrate. (b) Fatigue endurance properties of the used coating enabling an efficient monitoring of the coating damage development, appropriate impact loads had to be determined. For this purpose, inclined impact tests were conducted on a polished and additionally micro-blasted, well-adherent cemented carbide substrate, coated with a PVD TiAlN film. The film failure extent in the impact test imprint was described through the failed area ratio FR, Figure 11: (a) Maximum von Mises stress, occurring during the inclined impact test at various impact loads. (b) Characteristic SEM micrographs of inclined impact tests imprints at various impact forces and numbers of impacts. (c) Coating failed area ratio at various impact forces versus the numbers of impacts. Figure 10: (a) The applied substrate mechanical pretreatments. (b) Obtained roughness data in each substrate treatment case. defined as the ratio of the region in which the substrate is revealed, versus the overall contact area. This ratio is determined automatically, by evaluating the related SEM micrographs with the aid of the developed algorithm WEPROC (WEar PROpagation Code) /2/. The film failure was also investigated by various EDX analyses, indicating the revelation of substrate elements

126 12. Extended Summary in English The obtained results displayed in figure 11a exhibit that the applied well-adherent coating is overloaded concerning fatigue, at an inclination angle of 15 0 and at impact forces larger than ca. 14 dan, associated with the fatigue critical stress of 2.8 GPa. These results were provided by FEM calculations of the developed stress field in the imprint area during the inclined impact test, as described in the following section. As expected, the coating withstands one million impacts, i.e. it possesses fatigue endurance, at loads less than approximately 14 dan and it is damaged earlier, i.e. it possesses a timelimited resistance against fatigue at higher impact forces (see figure 11b). At impact forces greater than 14 dan the maximum equivalent stresses in the contact region between the ball indenter and the coated specimen exceeds the fatigue critical stress of 2.8 GPa and the film damage development is accelerated by the impact load growth. The fracture ratio FR, for instance, at an impact force of 20 dan, amounts to approximately 15% after 200x10 3 impacts, whereas after the same number of impacts, at a load of 30 dan it amounts to ca. 75%; this is further displayed by the corresponding curves in figure 11c. Taking into account these dependencies, the fatigue over-critical force of 20 dan was selected for an efficient monitoring of the film damage development and for short test durations, i.e. up to two hundred thousand impacts. Figure 13: Inclined impact test performance of TiAlN coated specimens with various substrate treatments. In this way, the expected coating failure ratios in the worse substrate adhesion cases is larger than 15% after two hundred thousand impacts and the film damage start and development can be detected in a short time easily and registered accurately, even in the worst polished substrate case (p), where the film fracture rate is accelerated, as it will be demonstrated. The coating failed region versus the number of impacts, during the inclined impact tests, in the various substrate treatment cases, is monitored in figure 12. The coated inserts, subjected to substrate micro-blasting, withstand more effectively the applied loads in comparison to the unblasted inserts and have a slower coating failed area ratio FR increase. Moreover, the failure of a coating on a poor-adherent polished insert possesses the most intense development due to restricted film-substrate mechanical interlocking /10/; however, after two hundred thousand impacts, was not removed totally. In this way, even in this insufficient adhesion case, the film damage start-up and its intense removal rate can be conveniently registered and evaluated. Figure 12: SEM micrographs of the developed inclined impact test imprints on coated specimens with various substrate treatments. The coating fracture initiation is encountered in all substrate cases after approximately the number of impacts indicated in the table of figure 13, depending on the substrate superficial mechanical treatment. Hereupon, a coating failed area ratio FR larger than 3% was used as the criterion of the film damage start-up. Considering these results, it is obvious that the appropriate selection of the fatigue over-critical load of 20 dan facilitated the monitoring of the film failure start and development, with sufficient accuracy, in all investigated cases

127 12. Extended Summary in English 4.2 Determination of the stress field during the inclined impact test and quantification of the adhesion strength The FEM simulation of the inclined impact test was already exhibited in figure 3. The same PVD coating, deposited on various adherent substrates, was simulated with the aid of the developed FEM models of the inclined impact test, using these contact elements to describe the normal and tangential film-substrate interface stiffness. Hereupon, the ratio CSR of the tangential contact stiffness cst, to the normal one csn, was applied to characterize the adhesion strength in the coatingsubstrate region. The maximum von Mises equivalent stresses versus the contact stiffness ratio, developed during the inclined impact test, are shown in figure 14a, in the case of an impact force of 20 dan, at inclination angles of 0 0 and The FEM calculations were conducted for two adhesion quality stages, an ideal one with contact stiffness ratio CSR equal to 1 and an insufficient one, concerning adhesion, with CSR equal to As can be seen in figure 14b, the contact stiffness ratio has no effect on the developed maximum equivalent stress in the perpendicular impact test. On the other hand, a slight displacement of the maximum equivalent stress appears toward the imprint center, in the case of a poor adhesion (CSR=0.01), as already discovered in /6/. Furthermore, during the inclined impact test, the decrease of the contact stiffness ratio, i.e. the film adhesion deterioration, results in a nonlinear growth of the maximum equivalent stress. The stress augmentation is more intensive as the coated surface inclination angle increases. These results indicate that at the same impact force, the film adhesion affects the developed maximum stress during the inclined impact test and therefore the film damage, as already experimentally found (see figure 12). With the aid of the contact stiffness ratio CSR, it was possible to quantify the contribution of the substrate treatments to the coating adhesion strength by applying the following method. Herein, the maximum equivalent stress during the inclined impact test, in the case of an Figure 14: (a) FEM determined equivalent stress distributions during the perpendicular and the inclined impact test, in an ideal and a poor film-substrate adhesion cases. (b) Effect of the contact stiffness ratio on the occurring maximum equivalent stress during the inclined and the perpendicular impact test. Figure 15: (a) Determination of the contact stiffness ratio, considering the number of impacts at the film failure start. (b) Maximum von Mises stress increase versus contact stiffness ratios at various substrate pretreatments

128 12. Extended Summary in English inclination angle of 15 0 and at 20 dan impact load, was used to quantify the contribution of the substrate treatments to the coating fatigue failure and thus, to the contact stiffness ratio, as exhibited in figure 15a. The maximum equivalent stress, leading to the film fatigue fracture start, was determined as demonstrated in the figure. The number of impacts associated with the film failure start was detected experimentally for each substrate treatment case (as already explained in figure 13). The coating Woehler diagram was established by means of the procedures described in /12/. Further, the equivalent stress versus the contact stiffness ratio diagram, created as described in figure 14, was applied to quantify the contact stiffness ratio. According to these results, coatings on poor-adherent substrates are loaded more intensely, in comparison to the corresponding well-adherent films loading cases, when also tangential loads are exercised to the filmsubstrate interface. A contact stiffness ratio CSR ca. 0.1, implemented by the polishing and additionally microblasting of the applied cemented carbide substrate, close to the one of the ideal-adherent film-substrate interface, causes an overloading only of approximately 3% (see figure 15b). On the other hand, in the poor adhesion polished substrate case with CSR less than 0.01, overloadings larger than 20% can occur. For instance, at a CSR of a 53% overloading develops. In this way, in FEM simulations of coated components, the contribution of the coating adhesion on the film loadings can be described by means of contact elements, possessing stiffness data, determined with the aid of the introduced procedures. These data can also be used in various applications, for instance, in the FEM simulation of the loaded cutting edge, to capture the adhesion effect on the wear propagation of coated tools in milling /10/. 4.3 Correlation of the contact stiffness ratio to the coating impact adhesion and achieved number of cuts Figure 17: Correlation among the milling performance, the remaining area ratio (inclined impact test resistance) and the contact stiffness ratio CSR in various substrate treatment cases. The magnitudes of the divergences between various filmsubstrate adhesion stages and that one of the welladherent polished and additionally micro-blasted insert, which is considered as reference, are illustrated in figure 16. The Coating Impact Adhesion CIA was used to characterize the previously mentioned divergence, at a specific inclination angle, impact force and number of impacts /12/. The CIA amounts to 20% for the ground and subsequently micro-blasted substrate, compared to the reference polished and additionally micro-blasted one. The failed area ratio FR increases up to 30%, in the case of a ground substrate, compared to the previously mentioned reference one, and up to 50% in a polished substrate case. In this way, the adhesion strength can be characterized qualitatively. The potential to quantify the developed coating adhesion in each substrate treatment case, allows capturing the correlation among the number of cuts up to a flank wear of 0,2 mm NC VB0.2 during milling with coated inserts, the remaining area ratio (1-FR) and the contact stiffness ratio CSR (see figure 17). It is noteworthy that there is an almost identical behaviour of the cutting performance of the applied coated cemented carbide inserts with the inclined impact test resistance, expressed by the remaining area ratio and with the contact stiffness ratio in all the substrate treatment cases. 5. Coatings micro abrasion investigated by the inclined impact test at various loads under dry and lubricated conditions Figure 16: Inclined impact test performance of the variously adherent specimens by means of the CIA metric For the investigations described herein, a characteristic cutting tools well-adherent (Ti 46 Al 54 )N coating was applied. The SEM-micrographs of the occurring imprints at various impact loads and numbers of impacts are illustrated in figure 18a. The coating is almost removed at an impact load of 430 N after one million (10 6 ) impacts. This load is higher than the corresponding fatigue endurance critical load of approximately 400 N, as shown in the Woehler diagram of figure 18b. Moreover, - 9 -

129 12. Extended Summary in English restricted coating fractures can be observed at an impact load of 400 N, equal to the fatigue endurance limit, located in the overstressed area near the crater vicinity. The film damages can be detected by the EDXmicroanalysis illustrated in figure 18a. In the locations with film fractures, elements of the cemented carbides substrate as W and Co were detected. The coating withstands a theoretically infinite number of impacts, when it is stressed under the fatigue endurance critical stress, amounting to 2.8 GPa. As it can be seen in the corresponding SEM micrograph of figure 18a, at a load of 300N, corresponding to a maximum equivalent stress of ca. 2.2 GPa, no film damage occurs after twenty million impacts (see detail A of figure 18a). It is noteworthy that as the specimen roughness increases, the pressure distribution on the film surface becomes more uneven with peaks of local stress concentrations. Figure 18c displays the effect of roughness on stress increase versus the impact load./13/ If the increased stress exceeds the coating mechanical strength then film failure occurs. In the present investigations, the film wear is practically not affected by local coating fractures, due to the low specimens roughness, as indicated by the figure. Finally, the effect of film abrasion wear is again negligible in the perpendicular impact test. The inclined impact test constitutes among others, an effective method for the synchronous evaluation of the cohesive and the adhesive coating strength /12,14/. The contact between the ball indenter and the specimen surface is described by intense relative tangential motions between the ball and the coating in this region, as already illustrated in figure 5a. Considering these relative motions, an abrasive film wear may occur in the center of the contact circle area. The startup of the coating failure due to fatigue, at the intensively stressed imprint central region, can be predicted by the coating Woehler diagram and the locally developed von Mises peak stresses at various impact forces and inclination angles, as explained in figure 19. According to these results, the coating could operate without damage for up to one million impacts, when it is loaded under the fatigue critical stress of 2.8 GPa. Hence, a fatigue failure of the well-adherent film can be avoided completely; for example, at an inclination angle of 15 0, at impact forces less than approximately 140 N. With the aid of such diagrams, appropriate test conditions, i.e. inclination angle and impact load can be determined, so that the synchronous contribution of fatigue phenomena to the film impact wear is avoided Figure 18: (a) Characteristic perpendicular impact test results. (b) Developed maximum stresses and number of impacts in the conducted investigations. (c) Roughness effect on the stress increase versus the impact force. Figure 19: Coating fatigue endurance limit and maximum equivalent stresses at various impact loads versus the inclination angle

130 12. Extended Summary in English 5.1 Investigation of the films micro abrasion wear by inclined impact tests without lubrication The experimental results exhibited in figure 20 validate the already stated stipulation, namely that the coating displays fatigue endurance, at an inclination angle of 15 0 and at impact forces less than approximately 140 N, since up to one million impacts at the applied loads of 140 and 80 N no film damage occurs. Furthermore, a film failure appears after only half a million impacts, at the fatigue over-critical impact force of 200 N. On the other hand, the coating is damaged at both the loads of 140 N and 80 N, over one million impacts, due to abrasion mechanisms. The coating fails in its central imprint region, due to excessive relative micro motions, between ball and film surface, as already explained in figure 5a. In Detail A of figure 20 it can be observed that at the undercritical impact load of 80 N, the film micro abrasion led to a roughness decrease and a restricted film removal in the central imprint area, after two million impacts. The coating failure at over- and under-critical loads is further explained through the analysis of figure 21. For an impact load of 80 N, lower than the fatigue critical load, the previously mentioned restricted coating failure develops approximately in the center of the imprint after two million impacts (see figure 21a). In this case, the coating is slowly removed due to low-rate developing micro abrasion effects. This coating failure, as expected, appears near the center of the imprint, since at this Figure 21: Developed imprints and superficial stress fields during the inclined impact test at over- and undercritical impact loads. location the corresponding superficial stresses possess their maximum, as the related FEM calculation clearly demonstrates. On the other hand, at the over-critical load of 200 N, after one hundred thousand impacts, the coating is removed due to fatigue failure (see figure 21b). The first damage appears in the overstressed central imprint region, where Figure 20: Characteristic inclined impact test imprints without lubrication (dry). Figure 22: Characteristic inclined impact test imprints at various impact loads under lubricated conditions (emulsion)

131 12. Extended Summary in English a local stress of 3.24 GPa is developed, exceeding the fatigue critical one of 2.8 GPa, as ascertained by the corresponding FEM calculation of the superficial stresses. Furthermore, due to the restricted number of impacts, the film micro abrasion is negligible and the roughness in the imprint remains unaffected. 5.2 Investigation of the films micro abrasion wear by inclined impact tests with lubrication Additional inclined impact tests were conducted under lubricated conditions. The coated specimen was placed in emulsion, used in cutting processes. This lubricant was used since the (Ti 46 Al 54 )N coating is applied on cutting tools. The corresponding results, as well as the emulsion data are exhibited in figure 22. As expected, the coating fails due to fatigue at an impact load of 200 N, higher than the fatigue critical load, after half a million impacts (see Detail A of figure 22). At impact loads equal and lower than the fatigue critical one of 140 N for over one as well as two million impacts, no film failure develops (see Detail B of figure 22). In the latter cases, only roughness peaks are removed and the roughness in the imprint is decreased. This can be explained by the development of hydrodynamic pressure between the ball and the coating that prevents the direct contact between the surfaces, hence, reducing frictions and eliminating the abrasion mechanisms. In this way, no film failure occurs at impact loads equal or lower than the fatigue critical loads. An overview of the conducted inclined impact tests, under various loads, number of impacts and dry or lubricated conditions is presented in figure 23. The film failure extent in the imprint is described through the failed area ratio FR. This ratio is determined automatically with the aid of the WEPROC (WEar PROpagation Code) algorithm /2,13/. In the upper part of the figure, at impact loads higher than the fatigue critical load, the failed area ratio growth is decelerated by the lubrication, as the coating removal due to micro abrasion is decreased. On the other hand, at impact loads equal or lower than the fatigue endurance critical load of 140 N, the coating failure mechanism, due to micro abrasion, is eliminated up to one million impacts, under dry or lubricated conditions. Finally, if lubricant is applied, at loads equal or lower than the film fatigue critical load, the coating withstands a theoretically infinite number of impacts, as in the case of the under-critical perpendicular impact test without lubrication. 6. Characterization of fatigue and adhesion properties of coatings on bearing rings by impact tests The performance of bearings is restricted by the tribological behavior of their steel rings, which is affected by many factors such as vibration, load, speed, lubricant, debris etc. In some cases, specific thin hard coatings can and have been used to increase the performance of steel bearings /1,2,3,4,5,6,7/. Significant parameters that have to be investigated on the coated bearing rings are the coating fatigue and adhesion strength, as a premature film failure delimits the service life of the whole bearing. Figure 23: Failed area ratio FR versus the number of impacts at various impact loads, under dry and lubricated conditions. The impact test is an effective method to characterize coatings cohesion, fatigue, adhesion micro abrasion etc. /1,4,5,22,23,24/. The possibility to test the coatings as deposited on the bearing ring surfaces, i.e. directly on the final product, is pivotal, because the PVD process significantly affects the attained film properties and adhesion. In the described investigations, nanoindentations were firstly conducted on coated bearing rings, to determine the film and the substrate mechanical strength properties with the aid of a finite elements method (FEM) supported results evaluation /25/. Furthermore, using developed jigs and fixtures, perpendicular and inclined impact tests were conducted directly on coated bearing rings. Finally, based on FEM simulations of the experimental procedures and

132 12. Extended Summary in English appropriate calculations, the coating s fatigue and adhesion were quantitatively characterized. 6.1 Experimental procedures, devices and applied materials The applied impact tester was developed and manufactured by the Laboratory of Machine Tools and Manufacturing Engineering of the Aristoteles University of Thessaloniki in conjunction with CEMECON AG. The applied nanoindenter was a FISCHERSCOPE H100 /26/. The coating surface topomorphy and the impact imprint profiles were measured by a Taylor-Hobson SURTRONIC 3+ roughness measurement device. The coating thickness was determined by ball-cratering tests, using a device of CEMECON AG. The developed fixture to hold the inner bearing ring is exhibited in figure 24a. The ring is mounted on an appropriate shaft and can be displaced in various Figure 25: Ball-cratering test imprint on the applied coating and the FEM simulation of its structure positions along the shaft axis (X-axis). Moreover, this shaft can be moved vertically to its axis along the Y- direction at a specified distance L, thus enabling the conduct of inclined impact tests at an angle θ to the tested surface, as illustrated in figure 24b. The corresponding fixture for outer bearing rings is displayed in figure 24c. The ring housing is fixed on an appropriate base, as shown in this figure. This can be displaced together with its base, along the X- or Y-axis, to enable perpendicular or inclined impact tests at various locations on the internal cylindrical ring surface. Figure 24: (a) Impact test arrangement for investigations on coated external cylindrical surfaces of bearing ring. (b) Geometrical dependencies during the perpendicular and inclined impact test. (c) Impact test setup to conduct experiments on a coated internal cylindrical surfaces of bearing ring. The structure of the coating, deposited on the cylindrical regions of both bearing rings, is shown in figure 25. The superficial layer I consists mainly of a-c:h film with Cr gradation of approximately 2.2 μm thickness. The next layer II is mainly CrN with C gradation, with a thickness of ca. 1.6 μm. The coating deposition procedure was conducted at temperatures below C, to avoid annealing phenomena in the 100Cr6 steel substrate. In the FEM-model, this structure was simulated assuming that two individual and perfectly adherent coatings were deposited, as presented in the bottom part of figure 25. The determination of the coating stress-strain characteristics took place in two stages. Firstly, nanoindentations were conducted on the coated bearing rings at a maximum nanoindentation load of 5 mn, which led to a negligible deformation of layer II (see figure 26a)

133 12. Extended Summary in English The stress-strain curve of layer I was determined by the Figure 27: FEM-calculated von Mises stress distributions with and without the superficial layer I. exhibited in detail A of figure 27. Calculations were also conducted for the case that film layer I is completely removed. The corresponding results, concerning the stress distribution, are illustrated in the bottom part of the figure. The removal of layer I results in increasing the maximum equivalent stress in layer II, thus leading to a potential film failure initiation. In this way, layer I protects layer II, since it decreases the corresponding loadings, at Figure 26: (a) Stress-strain curves of the coating layer I and the substrate. (b) Stress-strain curve of film layer II and simulation of the coating deformation during nanoindentation up to a load of 50 mn. FEM supported evaluation method described in /25/ and it is monitored in the corresponding diagram of figure 26a. In this diagram, the elasto-plastic characteristics of the 100Cr6 substrate are also demonstrated. These are determined according to the same procedure on uncoated regions of the same coated bearing rings. In a further investigation stage, nanoindentations at a load of 50 mn were conducted, inducing a significant elastoplastic deformation in layer II. Taking into account the already obtained data of layer I, the mechanical strength properties of layer II were determined by a numerical trial and error method introduced in /27/. The corresponding stress-strain curve is illustrated in the left diagram of figure 26b. To check the validity of these data, the penetration of the indenter into the layered PVD film was determined by FEM calculations, up to an indentation load of 50 mn. These results were compared and found to be in a good agreement with the corresponding ones, measured through nanoindentations (see diagram in the right part of figure 26b). 6.2 Fatigue performance of the deposited film on bearing rings According to FEM-based calculations /1/, the maximum coating stress occurs in the present case at the crater vicinity and amounts to approximately 3 GPa, as it is Figure 28: FEM calculated imprint geometry during the loading and relaxation stage and maximum remaining depth versus the impact loads

134 12. Extended Summary in English Figure 29: Measured and calculated imprint profiles at various impact loads. least at the beginning of the impact test. In the case of the applied impact load of 700 N, the substrate deforms plastically because the corresponding stresses are larger than the yield stress of the 100Cr6 steel (see figure 26b). Moreover, through the FEM simulation of the impact test, the deformed film profile at an impact load of 700 N was calculated and it is illustrated in the top part of figure 28. Due to the plastic deformation that develops during the loading stage, the contact area does not fully recover to its initial plane shape, forming a permanent concave imprint. The maximum depth of the formed imprint is monitored versus the applied impact load in the diagram at the bottom part of figure 28. At impact loads less than 200 N, the substrate deformation is elastic and no remaining crater depth occurs. Imprint profile measurements are exhibited at three perpendicular impact load levels after 10 6 impacts in figure 29. To facilitate the detection of a coating failure, FEM-calculations were conducted considering the applied impact forces. The coating is undamaged if the measured imprint maximum remaining depth is equal or smaller than the calculated one. As presented in figure 29, layer I is removed already at an impact force of 400 N after one million impacts. Layer II withstands the applied loads for one million impacts at forces less than approximately 900 N. At loads equal or larger than ca. 900 N, layer II is also removed after less than one million impacts. The corresponding measured and calculated remaining depth values are monitored in the table at the bottom figure part. Figure 30: Measured and FEM calculated imprint remaining depths versus the impact loads in both external and internal bearing ring cases. conducted at various impact loads (see figure 30). The maximum remaining imprint depth was measured and compared to the corresponding FEM calculated one. In this way, the critical impact loads for both coating layers on the inner as well as on the outer bearing ring was determined. According to the obtained results, layer I is removed already at an impact force of approximately 100 N after one million impacts in the case of the external and of the internal coated bearing rings. Moreover, layer II withstands impact loads up to ca. 800 N in both bearing ring cases. These results were further evaluated by FEM-supported calculations /1/, to determine the fatigue properties of each coating layer in form of Woehler diagrams, which are demonstrated in figure 31. The von Mises fatigue endurance stress of layer I amounts to 1.2 GPa and it is associated with an impact load of approximately 100 N. The related stress of layer II amounts to 2.2 GPa and corresponds to an impact load of approximately 800 N. 6.3 Film adhesion quantification by the inclined impact test During the inclined impact test, the coated surface is loaded simultaneously by normal and tangential loads /23,24,25,28/. These synchronous loadings induce an intense stress field in the film, which leads to film damages at low impact forces

135 12. Extended Summary in English Figure 31: Woehler diagrams of coating layers I and II. Taking into account that the ring radius is about 25 times larger than the ball indenter radius, the ring contact area is approached in the FEM simulation by a plane surface, which is stressed by an elliptically distributed load, as demonstrated in figure 32a /1/. Furthermore, the threedimensional FEM model was used, considering the mechanical elastic-plastic properties of coating, substrate, and ball indenter. The adhesion properties in this FEM model are described by the normal and tangential stiffness of the contact elements inserted between the coating and the substrate. The contact stiffness ratio CSR of the tangential contact stiffness cs t to the normal one cs n was applied to characterize the adhesion strength in the coating-substrate interface /23/. The developed stresses during the impact test were determined by the previously described FEM model and are illustrated in figure 32b. The maximum von Mises stress occurs on the coating surface and amounts to approximately 2.2 GPa, at the applied impact load of 210 N and inclination angle of 10 degrees (see also section XX in figure 32b). This stress is equal to the determined fatigue critical one of layer II, already presented in figure 31. At the applied test conditions a coating failure develops in layers I and II after less than 500x10 3 impacts in both bearing ring cases (see figure 32c). Due to the low impact forces, the deformations of the coating layers and of the substrate material are elastic (see figure 28), thus no remaining deformation occurs after the experimental process. In this way, the resulting profile depths in the XX direction indicate directly the damage depth of the coating layers, on both the inner and outer bearing rings. The resulting film failure at loads equal or lower than the fatigue critical one of 210 N can be explained by poor coating adhesion /23/. To determine the film adhesion effect on the fatigue endurance load of the coating layer II, inclined impact tests were conducted at loads less than 210 N. As exhibited in figure 33, both inner and outer bearing ring coatings behave similarly. Layer I is removed at all loads, Figure 32: (a) Contact region and pressure distribution between ball and bearing ring during the inclined impact test. (b) FEM-calculated stress distributions during the inclined impact test. (c) Measured imprint profiles at the fatigue endurance load after various numbers of impacts.woehler diagrams of coating layers I and II. while the load of 150 N can be considered as the fatigue endurance one for layer II, since no damage develops in this layer after one million impacts. The film adhesion can be quantified by the procedure described in /23/. The maximum von Mises equivalent stresses, developed during the inclined impact test at various contact stiffness ratios, are shown in figure 34a. The FEM calculations were conducted for two adhesion quality stages, with contact stiffness ratios CSR equal to 0.1 and These values are associated with very good and sufficient adhesion strengths respectively /23/. As it can be observed, the reduction of the contact stiffness ratio, i.e. the film adhesion deterioration, results in an increase of the maximum equivalent stress. The

136 12. Extended Summary in English Figure 33: Measured imprint profiles at impact loads lower than the fatigue endurance one Figure 35: Determination of the contact stiffness ratio to characterize the film adhesion in the external and internal coated bearing ring cases stress augmentation versus the contact stiffness ratio is displayed in figure 34b; it is more intensive at contact stiffness ratios less than It is evident that at the same impact force, the film adhesion decreases and the maximum von Mises stress grows during the inclined impact test, thus accelerating the film damage initiation. Considering that a film failure in layer I starts after less than 400x10 3 impacts at an impact load of 210 N (see figure 32c), the corresponding actual maximum equivalent stress was determined with the aid of the film Woehler diagram, as demonstrated in the left part of figure 35. Assuming that the film failure initiation in layer II appears after approximately 300x10 3 impacts, a maximum von Mises stress of approximately 2.5 GPa was determined. This stress corresponds to a film adhesion strength, associated with a contact stiffness ratio CSR of ca (see right part of figure 35). The same result was found as demonstrated in the same figure, considering an impact load of 150 N as the fatigue endurance one of film layer II, associated with the fatigue endurance stress of 2.2 GPa (see figure 33). For both coated rings, the contact stiffness ratio CSR amounts to approximately 0.008, and thus the coating adhesion can be characterized as poor, according to results published in /23/. 7. Investigation of the mechanical properties and the geometry of imprints made by impact testing for the determination of the fatigue behaviour of Plasma and HVOF coatings Figure 34: (a) FEM determined equivalent stress distributions, in two film-substrate adhesion cases. (b) Effect of the contact stiffness ratio on the occurring maximum equivalent stress. The investigation involved a cermet coating applied by atmospheric Plasma process SX115 (44% complex borides - martensitic stainless steel matrix), a chrome carbide/tungsten carbide HVOF coating SX316 (37% WC, 11%Ni, 4% Co, balance Cr 3 C 2 ) and a tungsten carbide HVOF coating SX314 (86% WC, 10% Co, 4% Cr)

137 12. Extended Summary in English 7.1 Determination of the coatings mechanical properties Due to the high roughness of the coatings, no nanohardness measurements were useful for the determination of any mechanical properties, so the specimens were repeatedly grinded until the maximum height difference between peaks and suppressions were less than 3μm. The grinding was performed at a low force to avoid any stresses induced in the coating layer. In the nanohardness tester a spherical indenter of 0.2 mm radius was used instead of a Berkovich or Vickers indenter in order to achieve more useful results. Using FISHERSCOPE H100 under a maximum nanopenetration load of 1000 mn, the diagrams of force versus penetration depth were obtained /26/. Through Finite Element Simulation, and the use of the SSCUBONI /29,30/ algorithm, the stress-strain curves of the specimens were determined as shown in figure 36. Other characteristic values such as the Elasticity Modulus (E), the Yield Strength (S Y ), and Maximum Strength Smax of the specimens were also derived. The SX314 coating has the highest elasticity modulus and yield strength, mainly due to its higher hardness. On the other hand SX115 gives the lowest values. The coatings mechanical properties (stress-strain curves) derived from nanoindentations and FEM simulations were slightly reduced in comparison to their strength and toughness. This could be attributed either to the fact that this is the first time that such coatings were studied with nanohardness devise and that the low penetration depth as well as the non homogeneity of the coating surfaces (especially between the boundary and the internal regions of the grains), may have affected the nanoindentation results. During the deposition of the coating s upper layers, the mechanical properties of the existing internal layers were found, through thorough investigations, to be enhanced due to compressive residual stresses /31,32/. With the force applied during nanopenetration tests, the indentation depth is not enough to reach the layers with increased mechanical properties and thus the measured properties of the outer layers may not be representative of the coating as a whole. Figure 37: Inclined and perpendicular impact test as well as an imprint through 3D surface topography In figure 37b, a photograph of the specimen through 3D surface topography is shown. During the tests a degradation of the coatings (removal of some coated layers) was observed, but no failure had occurred. This was observed during both the perpendicular and inclined impact tests, which are more suitable for measuring cohesion and adhesion at the interface. None of the coating had failed, therefore no safe conclusions could be extracted about the fatigue behaviour of the coatings. The experimental results were evaluated, through 3D Surface Topography Analysis, with the Nanofocus μsurf device. With the aid of this system, the volume of the removed material of the imprint can be calculated The most important results about the investigated coatings are those presented in Figures 38 and 39 where the volume of the removed material during the impact 7.2 Inclined and perpendicular impact tests evaluation The calculation of the fatigue behaviour and the coated layers removal rate using the geometric characteristics of the imprints made by impact testing was devised. In figure 37a the impact tester is shown. It has the ability to perform inclined and perpendicular impact tests with varying numbers of impacts and impact loads. Figure 36: Stress-strain curves of the coated specimens and characteristic values (E, Sy, Smax) Figure 38: Imprint volumes of the examined coatings after various perpendicular impact tests

138 12. Extended Summary in English micro abrasion, independently of the phenomena, with or without lubrication film fatigue To detect PVD-films fatigue and adhesion behavior, perpendicular and oblique impact tests were conducted directly on coated bearing rings with the aid of appropriate fixtures. The obtained results were evaluated and the coatings fatigue endurance stresses were determined. The investigated coating possesses an adequate fatigue performance, although the superficial (a-c:h / a-c:h:cr(cr,c) grad) layer has a deteriorated fatigue resistance. The film adhesion was investigated by inclined impact tests and quantified by the contact stiffness ratio CSR, which was calculated through FEMsupported algorithms. According to the obtained results, the coating adhesion can be assessed as poor. The described methodologies render the impact test a convenient and efficient method to characterize fatigue and adhesion properties of PVD films, deposited on parts with complex geometries. Figure 39: Imprint volumes of the examined coatings after various inclined impact tests testing is presented. It is clearly shown that SX316 is more resilient and tougher than the other investigated coatings and it is certain that in applications were high fatigue strength is required, (i.e. in pumps) the SX316 coating is the most suitable. It is also proved that the hardest HVOF coating (SX314) had lower fatigue strength than the softer HVOF coating SX Conclusions In the frame of the present work, the inclined impact test was applied as a convenient method to characterize coatings cohesion and adhesion properties, as well as their microabrasion wear resistance. During the inclined impact test, coatings encounter a cohesive failure at lower impact loads compared to the perpendicular impact test, due to the occurring more intense stress field. The coating removal propagation within the impact imprint is faster, when testing poor-adherent coatings at high inclination angles. The developed FEM models to simulate the coating-substrate interface adhesion, by means of appropriate contact elements, enable the correlation of the specimen s adhesion strength to contact stiffness ratio. In this way, the inclined impact test becomes an efficient method to evaluate coatings cohesion and adhesion properties simultaneously. Further, the contribution of various substrate treatments on the film adhesion can be explained and quantified. The inclined impact test was further applied to investigate the well-adherent PVD films impact micro abrasion, with synchronous contribution of fatigue phenomena to the film wear or independently of them, applying appropriate conditions. The critical test conditions concerning film fatigue were determined by the perpendicular impact test and through FEM based calculations. At under-critical impact loads, concerning film fatigue, the coating withstands a theoretically infinite number of impacts under lubricated conditions. Moreover, at under-critical impact loads and without lubrication, a low rate micro abrasion wear develops. In this case, the effect of the impact load and the related superficial film stress on the micro abrasion can be monitored precisely. The obtained results render the inclined impact test a very efficient method to quantify the coating resistance against impact The mechanical properties and fatigue strength of Plasma and HVOF coatings were thoroughly investigated by perpendicular and inclined impact tests. The mechanical properties of the coatings were initially calculated, with the aid of the nanohardness tester and finite element simulation of the nanoindentations. The coatings measured mechanical properties were slightly lower in comparison to their actual strength and hardness due to the fact that the low penetration depth as well as the non homogeneity of the coating surfaces might have affected the nanoindentation results. Impact tests were performed as well as an evaluation procedure, concerning the geometric characteristics of the impact imprints from impact testing. From this procedure, accurate results about the fatigue behaviour of the investigated coatings were extracted. The results showed that the HVOF coatings had better mechanical properties and fatigue strength in comparison to Plasma coatings. Furthermore, it was observed that the hardest coating (SX314), regardless of the fact that it had higher hardness and better mechanical properties than the rest of the coatings, did not exhibit the best fatigue behaviour. The coating with the highest fatigue strength coating was the one that exhibited the lower material removal rate during perpendicular and inclined impact tests. 9. Acknowledgements Herewith I would like to express my gratitude to Cemecon AG for their support with the coated inserts and the bearing rings. I would also like to thank Dr. Stavros Hadjiyiannis of CNE Technology Ltd. and Sulzer-Metco for their support with the plasma and HVOF coated specimens. 10. References 1. K. D. Bouzakis, N. Michailidis, A. Lontos, A. Siganos, S. Hadjiyiannis, G. Giannopoulos, G. Maliaris, T. Leyendecker, G. Erkens, Zeitschrift fuer Metallkunde, 92 (2001) K.-D. Bouzakis, A. Siganos, Surface and Coatings Technology, 185 (2004) E. Lugscheider, O. Knotek, C. Wolff, S. Barwulf, Surface and Coatings Technology, (1999) O. Knotek, B. Bosserhoff, A. Schrey, T. Leyendecker, O. Lemmer, S. Esser, Surface and Coatings Technology, (1992)

139 12. Extended Summary in English 5. J. C. A. Batista, C. Godoy and A. Matthews, Surface and Coatings Technology, (2003) K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, S. Hadjiyiannis, K. Efstathiou, E. Pavlidou, G. Erkens, S. Rambadt, I. Wirth, Surface and Coatings Technology, (2001) K.-D. Bouzakis, A. Lontos, N. Michailidis, O. Knotek, E. Lugscheider, K. Bobzin, Surface and Coatings Technology, (2002) K.-D. Bouzakis, A. Siganos, T. Leyendecker, G. Erkens, Thin Solid Films, 460 (2004) ANSYS 9.0 Online Help Documentation 10. K.-D. Bouzakis, G. Skordaris, N. Michailidis, A. Asimakopoulos, G. Erkens, Surface and Coatings Technology 200, 1-4 (2005) pp K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, K. David, Thin Solid Films (1999) pp K. D. Bouzakis, A. Asimakopoulos, N. Michailidis, S. Kompogiannis, G. Malliaris, G. Giannopoulos, E. Pavlidou, G. Erkens, Thin solid films, (2004) pp A. Siganos, Doctoral thesis, Aristoteles University of Thessaloniki, 2003, ISBN K.-D. Bouzakis, A. Asimakopoulos, G. Skordaris, J. Anastopoulos, E. Pavlidou, G. Erkens, 16th International Plansee Seminar, Reutte, Austria, 2005, pp H.E. Hintermann, H.J. Boving, W. Hänni, Wear 48 (1978) H.E. Hintermann, H.J. Boving, G. Stehle, Lubrication Engineering 39 (1981) M. Weck, A. Koch, Annals CIRP Vol. 42, 1/ A. Igartua, J. Laucirica, A. Aranzabe, T. Leyendecker, O. Lemmer, G. Erkens, M. Weck, G. Hanrath Surf. Coat. Technol (1996) K.-D. Bouzakis, S. Mitsi, N. Vidakis, Journal of Tribology 120 (1998) G. Erkens, Doctoral Thesis RWTH Aachen, PVD process technique to coat spindle bearings below 160 0C, 1999, ISBN K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, A. Lontos, S. Mitsi, K. David, Surf. Coat. Technol (2000) E. Lugscheider, O. Knotek, C.Wolff, Surf. Coat. Technol., (1999) K. D. Bouzakis, A. Asimakopoulos, G. Skordaris, E. Pavlidou, G. Erkens, Wear, 262 (2007) K. D. Bouzakis, A. Asimakopoulos, G. Skordaris, E. Pavlidou, G. Erkens, Plasma Process. Polym. 4 (2007) s K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, G. Erkens, Surf. Coat. Technol. 142 (2001) HELMUT FISCHER GmbH +Co: Evaluation Manual of Indentation Procedure, Sindelfingen Germany (2000). 27. K.-D. Bouzakis, G. Skordaris, N. Michailidis, 5th Inter. Conf. THE Coatings proceedings (2005) page 363, ISBN E. Zanoria, L. Seitzman, Surf. Coat. Technol., 182 (2004) K. -D. Bouzakis et.al. Materials Characterization 49 (2003) pp K.-D. Bouzakis et.al. Surface and Coatings Technology (2005) pp K.-D. Bouzakis et.al. Surface and Coatings Technology, (2004) K.-D. Bouzakis et.al. Surface and Coatings Technology, 200 (2006)

140 Βιογραφικό Σημείωμα Προσωπικά στοιχεία: Ασημακόπουλος Αντώνιος του Βασιλείου και της Άννας, γεννηθείς στις 16 Απριλίου του 1978 στη Θεσσαλονίκη Βασική εκπαίδευση: Από Στοιχειώδης Εκπαίδευση στο 5 ο Δημοτικό Σχολείο Καλαμαριάς Από ο Γυμνάσιο Καλαμαριάς Από ο Λύκειο Καλαμαριάς Σπουδές: Από Οκτώβριο 1996 μέχρι Οκτώβριο 2002 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης 11 Νοεμβρίου 2002 Κτήση Διπλώματος Μηχανολόγου Μηχανικού Επαγγελματική δραστηριότητα: Από Επιστημονικός συνεργάτης στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

141 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΩΝ KAI ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ Διευθυντής: Καθηγητής Dr.-Ing. habil. Dr. E.h. Dr. h.c.κ.-δ. Μπουζάκης ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ Τηλ , Fax LABORATORY FOR MACHINE TOOLS AND MANUFACTURING ENGINEERING MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT ARISTOTELES UNIVERSITY OF THESSALONIKI Director: Professor Dr.-Ing. habil. Dr. E.h. Dr. h.c. K.-D. Bouzakis Thessaloniki, Greece Tel , Fax