επηρεάζει στη διάδοση της ρωγμής στις ιδιότητες κόπωσης και στην απόδοση κοπής η ύπαρξη ή μη, πολλών στρώσεων επικαλύψεων σε κοπτικά πλακίδια.

Transcript

1 1. Εισαγωγή Η διαχρονική ανάγκη του ανθρώπου να τιθασεύσει τη φύση τον οδήγησε στη χρησιμοποίηση των μεταλλικών υλικών. Με τη συνεχή εξέλιξη της τεχνολογίας τους δόθηκε ώθηση στο τομέα της μορφοποίησης, μέσω της δημιουργίας κραμάτων υψηλής αντοχής, καθώς και της εύρεσης επιπλέον στοιχείων, που είτε σαν μεμονωμένα, είτε σαν κραματικά στοιχεία συνεισέφεραν στην κάλυψη των ολοένα αυξανόμενων απαιτήσεων. Κοπτικά εργαλεία με αντοχή σε φθορά και σε υψηλές θερμοκρασίες δημιουργήθηκαν με σκοπό να ανταποκριθούν στην ανάγκη για μεγαλύτερη παραγωγικότητα και καλύτερης ποιότητας παραγόμενα προϊόντα. Έτσι ο κοινός χάλυβας σαν υλικό κατασκευής εργαλείων αντικαταστάθηκε από τον ταχυχάλυβα και αυτό με τη σειρά του από εργαλεία σκληρομετάλλου. Ωστόσο, καινοτόμα υπήρξε η τεχνολογία των λεπτών σκληρών επικαλύψεων που αυξάνει την επιφανειακή σκληρότητα των εργαλείων και συνέβαλε αποφασιστικά στη μείωση τόσο του χρόνου, όσο και του κόστους μορφοποιήσεως διαφορών προϊόντων. Η πιο προσφιλής μέθοδος εναπόθεσης της επικάλυψης πάνω σε διάφορα υλικά κοπτικών εργαλείων αποτελεί η μέθοδος της Φυσικής Εναπόθεσης Ατμών (PVD). 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. Πέραν της εξέλιξης των υλικών, η απόδοση κοπής των επικαλυμμένων εργαλείων σκληρομετάλλου εξαρτάται από ένα πλήθος τεχνολογικών και γεωμετρικών παραμέτρων. Κατά τη φάση σχεδίασης του κοπτικού εργαλείου, η επιλογή του μεγέθους της ακτίνας καμπυλότητας του υποστρώματος σκληρομετάλλου καθώς και η μέθοδος μορφοποίησης της αποτελούν μείζονος σημασία θέματα όσον αφορά την αντοχή σε φθορά των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων. Ένας ακόμα παράγοντας που επηρεάζει την φθορά των κοπτικών εργαλείων είναι η ύπαρξη διαφορετικών δομών επικάλυψης. Στη παρούσα εργασία γίνεται διεξοδική μελέτη της ύπαρξης μικροδομημένων-κιονοειδών επικαλύψεων ίδιας σύστασης καθώς και νανοδομημένων επικαλύψεων. Στη εργασία γίνεται μια διεξοδική μελέτη και σύγκριση για το πώς επηρεάζεται η απόδοση κοπής και οι ιδιότητες της κόπωσης πάνω σε κοπτικά πλακίδια των προαναφερθέντων επικαλύψεων σε ίδια και διαφορετικά πάχη επικάλυψης. Επίσης η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως θέμα τη διερεύνηση της επίδρασης της ύπαρξης πολλαπλών στρώσεων κιονοειδής επικάλυψης σε κοπτικά πλακίδια σκληρομετάλλου. Στην εργασία γίνεται μια διεξοδική πειραματική προσέγγιση για το πώς 1

2 επηρεάζει στη διάδοση της ρωγμής στις ιδιότητες κόπωσης και στην απόδοση κοπής η ύπαρξη ή μη, πολλών στρώσεων επικαλύψεων σε κοπτικά πλακίδια. Τα τελευταία χρόνια η ανάλυση με τη βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων (FEM) έχει γίνει το κύριο εργαλείο για την προσομοίωση της διαδικασίας κοπής υλικών. Αυτό το γεγονός οφείλεται κυρίως στην αυξανομένη αξιοπιστία των προγραμμάτων προσομοίωσης και στη ραγδαία αύξηση της υπολογιστικής ισχύος. Η εφαρμογή των πεπερασμένων στοιχείων για την μοντελοποίηση των κατεργασιών αφαίρεσης υλικού επιτρέπει τη διερεύνηση και την ερμηνεία πολλών φαινομένων, όπως των συνθηκών τριβής στη διεπιφάνεια εργαλείουαποβλίττου, της θερμοδυναμικής συμπεριφοράς των υλικών, των αναπτυσσόμενων δυνάμεων καθώς και των πεδίων τάσεων που αναπτύσσονται στο εργαλείο. Όλα τα παραπάνω αποτελούν μια ερευνητική ενότητα με σημαντικό ενδιαφέρον. 2

3 2. Στάθμη γνώσεων 2.1 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. Το επόμενο φυσικό βήμα ήταν να δημιουργηθούν κοπτικά εργαλεία από καθαρά 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. 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). 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. Η δεσπόζουσα θέση που κατέχουν τα σκληρομέταλλα ως υλικά κοπτικών εργαλείων σε όλες τις κατεργασίες μορφοποίησης με αφαίρεση υλικού οφείλεται στις εξαιρετικές ιδιότητες τους. Συνοπτικά χαρακτηρίζονται από μεγάλη σκληρότητα και ικανότητα διατηρήσεως της ακόμα 3

4 και σε υψηλές θερμοκρασίες, υψηλό μέτρο ελαστικότητας (σχεδόν τρεις φορές μεγαλύτερο από τον κοινό χάλυβα) που μεταφράζεται σε μεγάλη ολκιμότητας υλικό, χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής και σχετικό υψηλό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας σε σχέση με τον χάλυβα. Η δυνατότητα παραγωγής σκληρομετάλλων με διαφορετική αναλογία καρβιδίων και συνδετικού υλικού μέσω των όποιων καλύπτεται ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών έχει προκαλέσει την αδήριτη ανάγκη ταξινόμησης τους στις κατασκευάστριες εταιρίες. Οι τέσσερις κατηγορίες στις οποίες εντάσσονται τα σκληρομέταλλα ως υλικά κοπτικών εργαλείων σύμφωνα με τη διεθνή τυποποίηση ISO και τη γερμανική προδιαγραφή DIN4990 είναι οι P, M, G και K (η G χρησιμοποιείται για κατεργασία πετρωμάτων). Οι ομάδες Ρ, Μ και Κ έχουν ως διακριτικό χρώμα το μπλε, το κίτρινο και το κόκκινο αντίστοιχα. Η κατηγορία P χρησιμοποιείται κυρίως για κατεργασίες χαλύβων και χυτοχαλύβων, η κατηγορία M για κατεργασίες ανοξείδωτων χαλύβων και τέλος η κατηγορία Κ βρίσκει εφαρμογή σε κατεργασίες φαιού και λευκού χυτοσιδήρου, μαλακτικοποιημένων χυτοσιδήρων, βαμμένων χαλύβων, πλαστικών και συνθετικών υλών καθώς και ξύλου. Η κάθε κατηγορία χωρίζεται σε επιμέρους ομάδες, οι οποίες έχουν να κάνουν με τις ιδιότητες και την ποιότητα τους. Όσο αυξάνεται ο αριθμός για την κατηγορία P από 02 σε 40, για την M από 10 σε 40 και την K από 03 σε 40, χειροτερεύει η συμπεριφορά φθοράς και η σκληρότητα, ενώ βελτιώνεται η ολκιμότητά τους. Επιπλέον τα κοπτικά πλακίδια κατασκευασμένα από σκληρομέταλλο έχουν κωδικοποιηθεί κατά ΙSO με βάση τη γεωμετρική τους μορφή. Το σχήμα του πλακιδίου (τρίγωνο Τ, ορθογώνιο L, τετράγωνο S κτλ), η κατασκευαστική γωνία ελευθερίας και αποβλίττου, οι ανοχές κατασκευής, το πάχος, η κατεύθυνση πρόωσης, το μέγεθος, ο τρόπος συγκράτησης κ.ο.κ. συμβολίζονται με ειδικούς αριθμούς και γράμματα Τυποποίηση των σκληρομετάλλων Η εκλογή της χημικής σύστασης και της κρυσταλλικής δομής των σκληρομετάλλων επιδρά στις ιδιότητες τους καθώς και την απόδοση τους κατά την κοπή. Για παράδειγμα μια ενδεχόμενη 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. Η ανάγκη χρησιμοποίησης βέλτιστου συνδυασμού αναλογίας καρβιδίων και συνδετικού υλικού, έχει οδηγήσει τις κατασκευάστριες εταιρίες να δημιουργήσουν διάφορες κατηγορίες σκληρομετάλλων. Σύμφωνα με τη γερμανική προδιαγραφή DIN4990 και τη διεθνή τυποποίηση κατά ISO 813, τα σκληρομέταλλα ως υλικά για κοπτικά εργαλεία κατατάσσονται σε τρείς κύριες ομάδες, που συμβολίζονται με τα γράμματα P, M και K και χρησιμοποιούνται για την κοπή σιδηρούχων υλικών. 4

5 Για την κατεργασία μη σιδηρούχων και μη μεταλλικών υλικών, για ειδικά κράματα ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες και για σκληρά υλικά, έχουν εξελιχθεί οι ομάδες χρησιμοποίησης Ν, S και H αντίστοιχα. Οι ομάδες Ρ, Μ και Κ έχουν ως διακριτικό χρώμα το μπλε, το κίτρινο και το κόκκινο αντίστοιχα. Η κατηγορία P χρησιμοποιείται κυρίως για κατεργασίες χαλύβων και χυτοχαλύβων, η κατηγορία M για κατεργασίες ανοξείδωτων χαλύβων και τέλος η κατηγορία Κ βρίσκει εφαρμογή σε κατεργασίες φαιού και λευκού χυτοσιδήρου, μαλακτικοποιημένων χυτοσιδήρων, βαμμένων χαλύβων, πλαστικών και συνθετικών υλών και ξύλου. Έτσι μπορεί να γίνει εύκολα η επιλογή του είδους του σκληρομετάλλου που θα χρησιμοποιηθεί στην εκάστοτε κατεργασία έχοντας υπόψη τις ιδιότητες κάθε κατηγορίας. Σχήμα 2.1: Κύριες μέθοδοι επικάλυψης με φυσική εναπόθεση ατμών. Κάθε κατηγορία έχει μια σειρά από ποιότητες που χαρακτηρίζονται από διψήφιους αριθμούς (αριθμοί ποιότητας). Η κατηγορία Ρ έχει τις ποιότητες 01, 10, 20, 25, 30, 40 και 50, η κατηγορία Μ τις ποιότητες 10, 20, 30 και 40 και η κατηγορία Κ τις ποιότητες 01, 05, 10, 20, 5

6 30 και 40. Ελάττωση του αριθμού ποιότητας σημαίνει αύξηση της σκληρότητας και της αντοχής σε φθορά λόγω τριβής του σκληρομετάλλου και μείωση της δυσθραυστότητάς του. Στο σχήμα 2.1 δίνονται οι κατηγορίες και ποιότητες των σκληρομετάλλων με πληροφορίες για τη σύνθεση, τις ιδιότητες και τη χρήση τους. Εκτός από την τυποποίηση αναφορικά με τις χημικές και μηχανικές ιδιότητες των σκληρομετάλλων, τα κοπτικά πλακίδια κωδικοποιούνται κατά ΙSO ανάλογα με τη γεωμετρική τους μορφή` 2.3 Μέθοδοι παρασκευής επικαλύψεων με εναπόθεση ατμών Η σκέψη για επιφανειακή βελτίωση των διάφορων αντικειμένων και σκευών μέσω ειδικών κατεργασιών εφαρμόστηκε ήδη από την αρχαιότητα. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί ένα τσεκούρι που χρονολογείται περίπου το 900 π.χ. και είχε ενανθρακωθεί σκόπιμα στην ακμή του με αποτέλεσμα να αποκτήσει 444 σκληρότητα Brinell. Το παραπάνω γεγονός αποτελεί ένα προάγγελο των σύγχρονων τεχνικών ενανθράκωσης και εναζώτωσης, τα οποία συναντά κανείς στις διαδικασίες με χημική εναπόθεση ατμών. Αντίστοιχα τα σπαθιά των Ρωμαίων και των Βίκινγκς που κατασκευάζονταν κατά τη διάρκεια των τελευταίων αιώνων της πρώτης χιλιετίας αποτελούνταν από διαχωρισμένα στρώματα χάλυβα υψηλής και χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα τα όποια είχαν σφυρηλατηθεί ώστε να δημιουργηθούν περίπλοκα σχήματα. Οι διαδικασίες εναπόθεσης ατμών χωρίζονται κύρια σε δυο κατηγορίες: Φυσική εναπόθεση ατμών (PVD) Χημική εναπόθεση ατμών (CVD) Οι μέθοδοι φυσικής εναπόθεσης ατμών περιλαμβάνουν τη δημιουργία ατμών του υλικού μέσω εξάτμισης ή βομβαρδισμού ιόντων και ακολουθεί συμπύκνωση πάνω στο υπόστρωμα για να σχηματισθεί η στοιβάδα. Οι μέθοδοι χημικής εναπόθεσης ατμών καθορίζονται από την εναπόθεση ενός στερεού υλικού από τη φάση ατμών πάνω σε ένα συνήθως θερμασμένο υπόστρωμα ως αποτέλεσμα χημικών αντιδράσεων. Οι διαδικασίες με εναπόθεση ατμών μπορούν να μοντελοποιηθούν σε τρία στάδια. Στάδιο 1: Σχηματισμός της φάσης ατμών. Το υλικό μπορεί να μετατραπεί στη φάση ατμών μέσω εξάτμισης, με βομβαρδισμό ιόντων, κτλ. Στάδιο 2: Μεταφορά από την πηγή στο υπόστρωμα. Οι ατμοί μεταφέρονται από την πηγή στο υπόστρωμα με ή χωρίς συγκρούσεις μεταξύ ατόμων και μορίων. Κατά τη μεταφορά μέρος των ατμών μπορεί να ιονιστεί συνεπαγόμενο τη δημιουργία πλάσματος στο χώρο. Στάδιο 3: Ανάπτυξη της στοιβάδας στο υπόστρωμα. Η διαδικασία αυτή περιλαμβάνει τη συμπύκνωση των ατμών πάνω στο υπόστρωμα και ακολούθως τη δημιουργία του στρώματος μέσω σχηματισμού και ανάπτυξης πυρήνων. Ο σχηματισμός των αρχικών 6

7 πυρήνων και η διαδικασία ανάπτυξης μπορεί να επηρεαστεί σε μεγάλο βαθμό μέσω του βομβαρδισμού του αναπτυσσόμενου στρώματος με ιόντα, έχοντας ως αποτέλεσμα αλλαγές στη μικροδομή, στη σύνθεση, στις ατέλειες και στις εναπομένουσες τάσεις. Ο βαθμός να ελέγχεται ξεχωριστά καθένα από τα τρία στάδια προσδιορίζει την ευελιξία των διαδικασιών εναπόθεσης. Τα παραπάνω περιγραφόμενα τρία στάδια ελέγχονται καθένα μεμονωμένα με τις μεθόδους της φυσικής εναπόθεσης ατμών (PVD) σε αντίθεση της χημικής εναπόθεσης, όπου πραγματοποιούνται ταυτόχρονα. Κατά αυτόν τον τρόπο, οι μέθοδοι φυσικής εναπόθεσης προσφέρουν μεγαλύτερη ευελιξία στον έλεγχο της δομής, των ιδιοτήτων και στο ρυθμό εναπόθεσης. Επίσης οι μέθοδοι φυσικής εναπόθεσης πραγματοποιούνται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες ( ο C) παρέχοντας τη δυνατότητα να επικαλυφθούν υλικά που είναι ευάλωτα στη θερμοκρασία. Ωστόσο, κύριο πλεονεκτήματα των μεθόδων χημικής εναπόθεσης είναι ότι μπορούν να επικαλυφθούν υλικά που έχουν πολύπλοκη γεωμετρία. Σχήμα 2.2: Κύριες μέθοδοι επικάλυψης με φυσική εναπόθεση ατμών. Τέλος οι PVD επικαλύψεις έχουν καλύτερη απόδοση σε κατεργασίες με διακοπτόμενο απόβλιττο σε αντίθεση με την υπεροχή των CVD σε κατεργασίες με συνεχόμενο απόβλιττο Μέθοδοι παρασκευής επικαλύψεων με φυσική εναπόθεση ατμών (PVD). Οι κύριες μέθοδοι επικάλυψης με φυσική εναπόθεση ατμών είναι η εξάτμιση (evaporation) και η εναπόθεση με βομβαρδισμό ιόντων (ionization sputtering) και φαίνονται στο σχήμα 2.2. Οι όροι εξάτμιση και εναπόθεση με βομβαρδισμό ιόντων περιγράφουν τον τρόπο κατά τον όποιο τα συμπυκνωμένα σωματίδια μετατρέπονται στη φάση ατμών. Το πάχος των PVD επικαλύψεων μπορεί να διαφοροποιείται από μερικά angstroms μέχρι κάποια χιλιοστά. 7

8 Πριν διεξαχθεί οποιαδήποτε διαδικασία εναπόθεσης, απαραίτητο θεωρείται ο καθαρισμός της επιφάνειας του υποστρώματος. Κατά τη διαδικασία αυτή ιονισμένα άτομα Ar χρησιμοποιούνται για το βομβαρδισμό και απομάκρυνση των ακαθαρσιών της επιφάνειας. Τα ιόντα Ar μεταβιβάζουν την ορμή τους στα άτομα (ακαθαρσίες) που βρίσκονται στην επιφάνεια του υποστρώματος, απομακρύνοντας τις ακαθαρσίες, συντελώντας έτσι στην καλύτερη επαφή των δυο σωμάτων. Στη μέθοδο της εξάτμισης το υλικό του υποστρώματος τοποθετείται σε ευθεία οπτική επαφή από την πηγή του τηγμένου υλικού μέσα σε θάλαμο κενού (<10-4 torr). Το προς επικάλυψη υλικό θερμαίνεται είτε από ηλεκτρικό τόξο (arc), είτε από θερμική αντίσταση, είτε από δέσμη ηλεκτρονίων (elecrton beam), είτε από λέιζερ, εξατμίζεται και επικάθεται στην επιφάνεια του υποστρώματος. Στην εναπόθεση με βομβαρδισμό ιόντων ο στόχος (η πηγή του υλικού της επικάλυψης) καθώς και το υπόστρωμα τοποθετούνται σε θάλαμο κενού (<10-4 torr). Ο στόχος (που επίσης αποκαλείται κάθοδος) συνδέεται με τον αρνητικό πόλο παροχής τάσης, ενώ το υπόστρωμα τοποθετείται απέναντι από το στόχο. Μετά την εισαγωγή κάποιου αδρανούς αέριου στο θάλαμο κενού (συνήθως Αργό) δημιουργείται ηλεκτρικό τόξο μέσω του όποιου παράγονται ιόντα. Τα ιονισμένα άτομα του αδρανούς αέριου λόγω της κινητικής ενέργειας που αποκτούν, προσκρούουν στους στόχους, μεταδίδοντας την κινητική τους ενέργεια στα προς επικάλυψη άτομα, έχοντας ως αποτέλεσμα την διαφυγή ατόμων ή μορίων από την επιφάνεια του στόχου και την εναπόθεση τους στο υπόστρωμα. Γενικά οι στόχοι εκπληρώνουν δύο λειτουργίες, από μια σαν πηγή του προς επικάλυψη υλικού και από την άλλη σαν πηγή δευτερογενών ηλεκτρονίων ώστε να συντηρείται η ηλεκτρική εκκένωση. Η πιο απλή διάταξη σε ένα θάλαμο εναπόθεσης απεικονίζεται στο σχήμα 2.3 (διάταξη εναπόθεσης με βομβαρδισμό ιόντων ηλεκτρικής εκκένωσης επίπεδης διόδου-planar Diode Glow Discharge Sputter Deposition). Μια παραλλαγή της εναπόθεσης με βομβαρδισμό ιόντων είναι η εφαρμογή μαγνητικού πεδίου (Magnetron Sputter Deposition), ώστε να αυξηθεί σημαντικά η απόδοση ιονισμού κοντά στο στόχο. Το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο είναι παράλληλο με την επιφάνεια της καθόδου, έτσι ώστε να παγιδεύει τα ηλεκτρόνια και να εμποδίζει την κίνηση των πρωτογενών ηλεκτρονίων μακριά από την κάθοδο. Η ένταση του μαγνητικού πεδίου είναι μερικές εκατοντάδες gauss και ως εκ τούτου επηρεάζει μόνο τα ηλεκτρόνια του πλάσματος και όχι τα ιόντα. Τα παγιδευμένα στο πεδίο ηλεκτρόνια, τα οποία συγκρούονται κυρίως με άτομα του αεριού, προωθούνται κατά μήκος του μαγνητικού πεδίου και μειώνονται έτσι οι πιθανότητες να χαθούν στα τοιχώματα του θαλάμου. 8

9 Σχήμα 2.3: Διάταξη εναπόθεσης με βομβαρδισμό ιόντων ηλεκτρικής εκκένωσης επίπεδης διόδου. Το κύριο πλεονέκτημα αυτής της τεχνικής είναι ότι λόγω της υψηλής αποδοτικότητας του μηχανισμού ιονισμού, η διαδικασία μπορεί να λειτουργήσει σε πίεση γύρω στο 1 mtorr με υψηλή πυκνότητα ισχύος σε χαμηλή τάση πόλωσης και κατά συνέπεια να οδηγήσει σε μεγάλο ρυθμό εναπόθεσης. Ωστόσο, η χρησιμοποίηση της περιορίζεται τόσο από την δυνατότητα επιλογής των υλικών του στόχου όσο και από κατασκευαστικές προαπαιτήσεις του. Ανάλογα με το τρόπο εφαρμογής του μαγνητικού πεδίου υπάρχουν οι εξής παραλλαγές: Μαγνητική εναπόθεση unbalanced (unbalanced magnetrons depositions) Για να παραχθούν σκληρές επικαλύψεις είναι απαραίτητος ο βομβαρδισμός του αναπτυσσόμενου στρώματος από σωματίδια υψηλής ενέργειας. Για το λόγο αυτό η δημιουργία ενός δευτερεύοντος πλάσματος λαμβάνει χώρα κοντά στο υπόστρωμα σαν πηγή σωματιδίων υψηλής ενέργειας ή χρησιμοποιείται μια μεμονωμένη συσκευή πηγής ιόντων ή εναλλάσσονται κατάλληλα τα μαγνητικά πεδία μεταξύ των εσωτερικών και εξωτερικών μαγνητών της καθόδου, ώστε να επιτραπεί η επέκταση του πλάσματος στην περιοχή του υποστρώματος, συντελώντας στο βομβαρδισμό του θετικά πολωμένου υποστρώματος με ιόντα. 9

10 Μαγνητική εναπόθεση balanced (balanced magnetrons depositions) Το μαγνητικό πεδίο είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια και το πλάσμα να βρίσκονται σε απόσταση από το υπόστρωμα. Αυτή η τεχνική αναπτύχθηκε για μικρό-ηλεκτρονικές εφαρμογές, όπου ο βομβαρδισμός του αναπτυσσομένου στρώματος από σωματίδια υψηλής ενέργειας πρέπει να αποφευχθεί. Η τεχνική εναπόθεσης με βομβαρδισμό ιόντων RF βρίσκει εφαρμογή σε μη αγώγιμα υλικά τα όποια είναι αδύνατον να επικαλυφθούν μέσω μεθόδων συνεχούς ρεύματος DC λόγω της συσσώρευσης του φορτίου στην επιφάνεια του στόχου. Ως εκ τούτο χρησιμοποιείται εναλλασσόμενο ρεύμα με συχνότητα 5-30 MHz. Στην τεχνική αυτή μπορεί να εφαρμοστεί μαγνητικό πεδίο. Στην περίπτωση εναπόθεσης με βομβαρδισμό του στόχου μέσω δέσμης ιόντων (ion beam sputter deposition) επιτυγχάνεται πολύ καλή συνάφεια, υψηλή καθαρότητα του εναποτεθέντος υλικού λόγω των χαμηλών πιέσεων λειτουργίας (0.1 mtorr) καθώς και αποφυγή θερμικών καταπονήσεων του υποστρώματος εξαιτίας του γεγονότος ότι δεν βρίσκεται σε επαφή με το πλάσμα. Μια υψηλής ενέργειας δέσμη ιόντων εξάγεται από την πηγή ιόντων κατευθυνόμενη στο στόχο. Ένα αδρανές ή αντιδρών αέριο χρησιμοποιείται ως πηγή δέσμης ιόντων. Το υπόστρωμα τοποθετείται κατάλληλα ώστε να συλλέγονται όλα τα εκπεμπόμενα σωματίδια. Για τους λόγους που προηγουμένως αναπτύχθηκαν, οι επικαλύψεις προστατεύουν αποτελεσματικά τα υλικά των υποστρωμάτων τους. Ένα τυπικό υλικό επικάλυψης είναι το νιτρίδιο του τιτανίου-αλουμινίου, του οποίου το κρυσταλλικό σύστημα φαίνεται στο σχήμα 2.4. Τα άτομα του αλουμινίου και του τιτανίου κατά τη φυσική εναπόθεση ατμών (PVD), δημιουργούν κρυσταλλοδομές με τα άτομα του αζώτου, αντίστοιχες του NaCl, μέσω ετεροπολικών ιοντικών δεσμών. Τοιουτοτρόπως, κατά την εναπόθεση δομούνται στιβάδες μερικών μικρομέτρων, μεγάλης μηχανικής αντοχής και συγχρόνως υψηλής πυκνότητας, μέσω της παρεμβολής των μικρού όγκου ατόμων του αζώτου, σε ενδιάμεσες θέσεις του πλέγματος του τιτανίου και αλουμινίου. Χαρακτηριστική δομή επικαλύψεων, μικρών ενεργειών ιονισμού πλάσματος κατά τη φυσική εναπόθεση ατμών, είναι η κιονοειδής, που παρουσιάζεται στο σχήμα. Λόγω αυτής της δομής, στην επιφάνεια της επικάλυψης απαντώνται μεγαλύτεροι κόκκοι (τομή ΒΒ), σε σχέση με μια ενδιάμεση επιφάνεια, π.χ. επί της τομής ΑΑ. 10

11 Σχήμα 2.4: Κιονοειδής κρυσταλλοδομή PVD επικάλυψης και μεγέθη κόκκων για διάφορα πάχη τους. Οι εξελίξεις των τεχνικών εναπόθεσης, οδήγησαν σε σημαντικές βελτιώσεις των κρυσταλλοδομών των επικαλύψεων (σχήμα 2.5). Μέσω της εφαρμογής του βομβαρδισμού των στόχων με ιόντα υψηλής ενέργειας (H.I.S.) και της προκαλούμενης εκτίναξης ατόμων από τους στόχους με αυξημένη κινητική ενέργεια, περιορίσθηκαν οι κιονοειδείς δομές. Η τεχνική επίτευξης πιο έντονης έλξης των ιόντων από τους στόχους με τη βοήθεια ηλεκτρομαγνητικών πεδίων μέσω ηλεκτρικών παλμών επί των στόχων, υψηλής ενέργειας (H.I.P.), σε συνδυασμό με τη διαδικασία H.I.S., συνέβαλε στη δημιουργία νανοδομημένων επικαλύψεων,με περιεκτικότητες σε διάφορα στοιχεία, όπως π.χ. σε αλουμίνιο, που δεν μπορούσαν να επιτευχθούν με συμβατικές PVD τεχνολογίες βασιζόμενες μόνο σε δυνάμεις DC μαγνητικού πεδίου. Επίσης είναι δυνατή η επίτευξη πολυστρωματικών δομών, όπως εικονίζεται στο κάτω μέρος του σχήματος, με πάχος στρώσεων μέχρι και μερικών νανομέτρων. 11

12 Σχήμα 2.5: Μικροδομή της επικάλυψης TiAlN μέσω διαδικασιών εναπόθεσης H.I.S. και H.I.P. Τέλος, μέσω υψηλού ιονισμού και αυξημένης ενέργειας HPPMS PVD μεθόδων (High Power Pulsing Magnetron Sputtering) παράγονται πυκνά νανοδομημένα κρυσταλλικά πλέγματα και ομοιόμορφα κατανεμημένες επικαλύψεις, επί όλων των επιφανειών ενός υποστρώματος. Ο προηγούμενος στόχος επιτυγχάνεται λόγω των υψηλών ενεργειών του πλάσματος, που καθιστούν τη διαδικασία εναπόθεσης πρακτικά ανεπηρέαστη από επιδράσεις σκιάσεων και οδηγούν σε σταθερά πάχη στιβάδων σε όλες τις επιφάνειες των προς επικάλυψη τεμαχίων. Όλες αυτές οι εξελίξεις οδήγησαν σταδιακά στη μείωση του χρόνου της επικάλυψης για την επίτευξη ενός ορισμένου πάχους στιβάδας και έτσι βελτίωσαν την οικονομικότητα και την ποιότητα των κατεργασιών επικάλυψης Πέρα από την αποτελεσματική χρησιμοποίηση της ενέργειας των ιόντων Ar + κατά το βομβαρδισμό των στόχων και κατά την πρόσκρουση των ιόντων και ατόμων των υλικών των στόχων επί των προς επικάλυψη επιφανειών, οι ρυθμοί ανάπτυξης των στιβάδων και οι 12

13 ιδιότητές τους βελτιώνονται, μέσω της αύξησης της ενέργειας των προηγουμένως αναφερθέντων σωματιδίων. Η δύναμη πρόσκρουσης στους στόχους των ιόντων του Ar + μπορεί να μεγαλώσει, μέσω περαιτέρω ανόδου της τάσεως του ρεύματος. Εν προκειμένω, η υψηλή συνεχής τάση του στόχου, μπορεί να μετατραπεί σε υψίσυχνα εναλλασσόμενη (Radio Frequency RF) με κατάλληλη διαμόρφωση της, μέσω ηλεκτρονικών διατάξεων ισχύος. Έτσι μπορούν να καθοδηγηθούν ιόντα και επί στόχων με επιφανειακές επιστρώσεις υλικών, κακών αγωγών του ηλεκτρισμού. Ο συνδυασμός παραγομένων πλασμάτων μέσω DC ή RF ή συνδυασμού αυτών, προσδίδει στις διαδικασίες επικάλυψης υψηλές ευελιξίες και διευρύνει το φάσμα εφαρμογής τους και σε υλικά μονωτές. Οι διαδικασίες αυτές χαρακτηρίζονται σαν μέθοδοι υψηλού ιοντικού βομβαρδισμού (High Ionization Sputtering HIS). Οι τεχνικές HIS μετεξελίχθησαν σε παλμικές (High Ionization Pulsing HIP), συνεισφέροντας στην περαιτέρω αύξηση της ενέργειας των ιόντων Ar + πριν την πρόσκρουσή τους επί του στόχου και του ποσοστού ιονισμού του πλάσματος Σχήμα 2.6: Επικαλύψεις παραγμένες μέσω HIS και HIP διαδικασιών. 13

14 Χαρακτηριστικό παράδειγμα επικάλυψης παραγμένης μέσω HIP διαδικασίας, εκτίθεται στο σχήμα 2.6. Η λεπτόκοκκη κρυσταλλοδομή της επικάλυψης, που εναποτέθηκε μέσω HIP, σε σχέση με την επικάλυψη ιδίας χημικής σύστασης, που παράχθηκε μέσω HIS, είναι εμφανής. Επίσης η HIS διαδικασία κατέστησε δυνατή την παραγωγή TiAlN επικάλυψης, κυβικής κρυσταλλοδομής με ποσοστό αλουμινίου άνω του 65%.Αυτό ήταν αδύνατο μέχρι την εξέλιξη των HIP διαδικασιών, καθόσον η επικάλυψη αυτή, με περιεκτικότητα σε Al μεγαλύτερη του 65%, έχει εξαγωνική κρυσταλλική μορφή. Η εξαγωνική κρυσταλλοδομή είναι κατάλληλη για εφαρμογές κοπής, όπως φαίνεται στο διάγραμμα ισορροπίας των φάσεων, στο κάτω μέρος του σχήματος. Η ενέργεια του πλάσματος, μπορεί περαιτέρω να αυξηθεί σημαντικά, με μεταφορά ενεργείας στην περιοχή του πλάσματος, μέσω ηλεκτρικών εκκενώσεων από κατάλληλες πηγές. Αυτό επεξηγείται στο σχήμα 2.7. Μια τέτοια πηγή υψηλής παλμικής ισχύος, υποστηριζόμενη από μόνιμους μαγνήτες (High Power Pulsing Magnetron Sputtering, HPPMS) τοποθετείται πίσω από μεταλλικούς στόχους και μεταφέρει σε άτομα και ιόντα ενέργεια, στην περιοχή του πλάσματος, μέσω ηλεκτρικών μικροεκκενώσεων. Η διάρκεια των εκκενώσεων αυτών, είναι της τάξεως των 100 μs, η περίοδός τους των 10 ms, η δε μεταφερόμενη ενέργεια στο πλάσμα, με συνεκτίμηση της χρονικής πορείας της τάσης και της έντασης του ρεύματος κατά την ηλεκτρική εκκένωση, πολύ μεγάλη. Τοιουτοτρόπως παράγεται υψηλού ιονισμού και ενέργειας πλάσμα, που οδηγεί στην δημιουργία επικαλύψεων εξαιρετικών κρυσταλλοδομών και συνάφειας. Επίσης, λόγω της υψηλής ενέργειας του πλάσματος, οι κατευθύνσεις κίνησης των διαφόρων σωματιδίων είναι πρακτικά στοχαστικές, με αποτέλεσμα την ομοιόμορφη ανάπτυξη στιβάδων, επί όλων των επιφανειών των τεμαχίων, εντός του θαλάμου κενού. Σχήμα 2.7: Διάταξη πηγής υψηλής παλμικής ισχύος μέσω ηλεκτρικών εκκενώσεων, υποστηριζόμενης από μόνιμους μαγνήτες (HPPMS). 14

15 Σχήμα 2.8: Ενέργεια ιόντων κατά τις διάφορες διαδικασίες αύξησης του ενεργειακού επιπέδου πλάσματος κατά την εναπόθεση PVD επικαλύψεων. Στο σχήμα 2.8 συνοψίζονται εποπτικά, οι υπάρχουσες δυνατότητες αύξησης της ενέργειας και της συγκέντρωσης των ιόντων του πλάσματος, που δημιουργείται κατά την εξάτμιση των στόχων, μέσω ιοντικού βομβαρδισμού κατά τις διαδικασίες PVD επικαλύψεων. Είναι εμφανής η συνεισφορά των διαφόρων διαδικασιών που αναπτύχθηκαν και ιδιαιτέρως της HPPMS, στην αύξηση του ενεργειακού επιπέδου των ιόντων του πλάσματος. Η τελευταία διαδικασία, σε σύγκριση με τις υπόλοιπες, οδηγεί σε μικρή άνοδο της ενέργειας των ιόντων αλλά κυρίως σε μεγάλη αύξηση της συγκέντρωσής τους. Αποτέλεσμα αυτού είναι η βελτίωση της κινητικότητας των ιόντων στο θάλαμο κενού, της επιτάχυνσης του ρυθμού εναπόθεσης και επομένως της οικονομικότητας της διαδικασίας επικάλυψης. Η επίδραση των διαδικασιών αυτών επί της φθοράς επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων, γίνεται αντιληπτή στο σχήμα 2.9. Κατά την εναπόθεση της ιδίας περίπου χημικής σύστασης επικάλυψης TiAlN, χρησιμοποιήθηκαν για το βομβαρδισμό των στόχων και την παραγωγή του πλάσματος οι προηγουμένως περιγραφείσες μεθοδολογίες. Η σταδιακή αύξηση του ενεργειακού δυναμικού του πλάσματος, μέσω των διαδικασιών DC, HIS, HIP και τέλος HPPMS, οδήγησε σε σημαντικές βελτιώσεις της συνάφειας και των μηχανικών ιδιοτήτων της στιβάδας. Αποτελέσματα αυτού είναι η εντυπωσιακή βελτίωση της συμπεριφοράς της φθοράς των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου, όπως δείχνουν οι πορείες της αύξησης του πλάτους ζώνης 15

16 Σχήμα 2.9 Εξέλιξη φθοράς επιφάνειας ελευθερίας της στιβάδας TiAlN για διαφορετικούς τρόπους παραγωγής πλάσματος κατά την PVD εναπόθεση της επικάλυψης φθοράς VB, συναρτήσει του αριθμού κοπών κατά το φραιζάρισμα. Για την αποτελεσματική καθοδήγηση των μεταλλικών ιόντων του πλάσματος, προς τις επιφάνειες των τεμαχίων προς επικάλυψη, αυτές τίθενται υπό αρνητική τάση (τάση πόλωσης BIAS-voltage). Μεγάλη αύξηση της τάσης πόλωσης, ελκύει και σημαντικό πλήθος ιόντων Ar +, γεγονός ανεπιθύμητο, γιατί λόγω της ενσωμάτωσής τους στο πλέγμα της επικάλυψης, δημιουργούνται αταξίες, που μειώνουν τις μηχανικές ιδιότητες της. Επίσης, τα τελευταία χρόνια, έχουν εξελιχθεί υβριδικές διαδικασίες, που συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα των μεθόδων εξάτμισης των στόχων arcing και sputtering. Για τις διαδικασίες arcing έχουν αναπτυχθεί μάλιστα, ειδικά ηλεκτρομαγνητικά φίλτρα, για την κατακράτηση σταγονιδίων (droplets), μεγάλου μεγέθους, οδηγώντας έτσι στη βελτίωση των δομών των επικαλύψεων Μονάδα επικάλυψης μέσω φυσικής εναπόθεσης ατμών PVD Τα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν στα πλαίσια της παρούσης εργασίας, επικαλύφθηκαν στη μονάδα εναπόθεσης CC800/9 της εταιρίας CemeCon AG, που παρουσιάζεται στο σχήμα Η μονάδα είναι πλήρως αυτοματοποιημένη και έχει τη δυνατότητα να κατασκευάσει μονοστρωματικές και πολυστρωματικές PVD επικαλύψεις με ποίκιλες χημικές συστάσεις. Η συσκευή αυτή εφαρμόζει την τεχνική HIS (High Ion Sputtering) σε κοπτικά εργαλεία,η οποία βασίζεται στην τεχνική της Μαγνητικής επιμετάλλωσης με επίθεση ιόντων ΜSIP (Magnetron 16

17 Sputter Ion Plating). Μέσω αυτής της τεχνικής, παρασκευάζονται επικαλύψεις με μεγάλη σκληρότητα και καλές μηχανικές ιδιότητες, απαραίτητες σε κατεργασίες μορφοποιήσεως. Η συμπεριφορά της στοιβάδας (Τi 46 Al 54 )N και εργαλείων σκληρομετάλλου διερευνάται, στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής. Προκείμενου να γίνει η συγκράτηση των ακάλυπτων κοπτικών πλακιδίων μέσα στο θάλαμο εναπόθεσης έχουν κατασκευαστεί διαφορές ιδιοσυσκευές. Η επιλογή της συγκράτησης που θα προτιμηθεί διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην απόδοση κοπής λόγω του γεγονότος ότι το προκύπτων πάχος της επικάλυψης στην επιφάνεια αποβλίττου και ελευθερίας επηρεάζεται από τη γωνία που σχηματίζει το κοπτικό πλακίδιο με τη ροή του πλάσματος. Παράλληλα συστηματικές έρευνες που έχουν διεξαχθεί όσον αφορά τις μηχανικές κατεργασίες που δύναται να λάβουν χώρα στο εργαλείο σκληρομετάλλου πριν την εναπόθεση της στοιβάδας,έχουν αναδείξει τη σημαντική συνεισφορά της μικροκοκκοβολής στη βελτίωση της συνάφειας της επικάλυψης και της απόδοσης κοπής του επικαλυμμένου πλακιδίου. Σχήμα 2.10: Μονάδα εναπόθεσης CC800/9 της εταιρίας CemeCon AG.. 17

18 2.4 Προσδιορισμός ιδιοτήτων των επικαλύψεων Δοκιμασία νανοδιείσδυσης (nanoindendation tests) Με την τεχνική της νανοδιείσδυσης χαρακτηρίζονται οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών, υπολογίζοντας την σκληρότητα ενός υλικού (αντίσταση που προβάλλει σε φορτία που τείνουν να το παραμορφώσουν). Με τη βοήθεια τέτοιων μετρήσεων και με κατάλληλη εφαρμογή μιας FEM υπολογιστικής διαδικασίας ( SSCUBONI ) μπορούν να καθοριστούν οι καμπύλες τάσης παραμόρφωσης των υλικών όπως παρουσιάζεται στο σχήμα Πιο συγκεκριμένα υπολογίζεται το μέτρο ελαστικότητας το οποίο χαρακτηρίζει την ιδιότητα του υλικού να παραμορφώνεται ελαστικά όταν πάνω του ασκείται φορτίο, καθώς και το όριο διαρροής της επικάλυψης το οποίο χαρακτηρίζει το όριο στο οποίο το υλικό αρχίζει να παραμορφώνεται πλαστικά. Η νανοδιείσδυση βασίζεται στην ίδια ιδέα με εκείνη της συμβατικής σκληρομέτρησης, με τη διαφορά ότι χρησιμοποιούνται ακίδες με ακτίνα καμπυλότητας του άκρου της (R) λίγων δεκάδων νανομέτρων, των οποίων το αποτύπωμα είναι αδύνατο να καταγραφεί από οπτικό μικροσκόπιο, και το κυριότερο καταγράφεται συνεχώς, εκτός από το φορτίο (F) που ασκεί, και η κάθετη προς το επίπεδο του δείγματος μετατόπιση (h) της ακίδας, η οποία μπορεί να είναι λίγες δεκάδες νανόμετρα. Σχήμα 2.11: Τυπικό διάγραμμα νανοδιείσδυσης και χαρακτηριστικές μορφές αποκλίσεων αιχμών εισβολέων. 18

19 Πρωταρχική απαίτηση κατά την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της νανοδιείσδυσης είναι η γνώση της ακριβούς γεωμετρίας της αιχμής του εισβολέα, δεδομένου ότι σε μικρά βάθη διείσδυσης μια απόκλιση από την ιδανική γεωμετρία της αιχμής επηρεάζει σημαντικά τα εξαγόμενα αποτελέσματα. Οι ακίδες των εντυπωτών κατασκευάζονται από πολύ σκληρά υλικά όπως διαμάντι, καρβίδια του βολφραμίου κ.λπ. και η γεωμετρία τους διαφέρει ανάλογα με το προς μελέτη υλικό. Κατά την διαδικασία της νανοδιείσδυσης η ακίδα με γνωστές μηχανικές ιδιότητες διεισδύει στο δείγμα μέσω ελεγχόμενου φορτίου ή μετατόπισης και καταγράφεται η πορεία της εφαρμοζόμενης δύναμης συναρτήσει του βάθους διείσδυσης δίνοντας διαγράμματα φορτίουμετατόπισης. Το ελεγχόμενο φορτίο εφαρμόζεται βαθμιαία αυξανόμενο καθώς η ακίδα διεισδύει στο δείγμα μέχρι να φτάσει σε μία καθορισμένη από τον χρήστη μέγιστη τιμή φορτίου ή βάθους διείσδυσης. Παράλληλα πραγματοποιείται η καταγραφή του βάθους διείσδυσης σε δύο στάδια, στο στάδιο της φόρτισης αλλά και της αποφόρτισης. Σχήμα 2.12: Σχηματική παράσταση της διαδικασίας νανοδιείσδυσης και ένα τυπικό αποτέλεσμα αυτής. Στο σχήμα 2.12 παριστάνεται σχηματικά η διαδικασία καθώς και ένα ποιοτικό διάγραμμα του εφαρμοζόμενου φορτίου σε συνάρτηση με το βάθος διείσδυσης. Κατά την αποφόρτιση, ένα εναπομένον βάθος h p παραμένει λόγω πλαστικής παραμόρφωσης. Το εναπομένον βάθος εξαρτάται από τις ιδιότητες του υλικού, το μέγεθος της εφαρμοζόμενης δύναμης και τη γεωμετρία του εισβολέα. Κατά τις δοκιμές νανοδιεισδύσεων, δίδεται ιδιαίτερη προσοχή στην τραχύτητα των εξεταζόμενων επιφανειών. Επαφή του εισβολέα με κοίλες επιφανειακές διαμορφώσεις λόγω τραχύτητας, οδηγούν σε μικρότερο βάθος διείσδυσης, ενώ επαφή του εισβολέα με κυρτά διαμορφωμένες τραχύτητες, επιτρέπει τη διείσδυσή του σε μεγαλύτερο βάθος για την ίδια δύναμη F, μέχρι την επίτευξη της ίδιας οριζόντιας επιφάνειας επαφής. Για την υπερνίκηση του προβλήματος αυτού είναι απαραίτητος ένας μεγάλος αριθμός μετρήσεων. 19

20 2.4.2 Δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης (impact test) Στην πράξη οι περισσότερες μηχανολογικές κατασκευές δεν υφίστανται την επίδραση ενός χρονικά σταθερού φορτίου. Τις περισσότερες φορές ο τύπος και η τιμή του φορτίου μεταβάλλονται με το χρόνο. Έτσι, πολλά από τα τεχνικά υλικά υπόκεινται σε χρονικά μεταβαλλόμενα φορτία ή τάσεις στις διάφορες τεχνολογικές εφαρμογές, στις οποίες συμμετέχουν ως λειτουργικά εξαρτήματα. Αυτές οι τάσεις, στην πλειοψηφία των περιπτώσεων, καταπονούν το υλικό σε εφελκυσμό και σε θλίψη και η μέγιστη τιμή της τάσης δεν ξεπερνά το όριο διαρροής του υλικού. Τέτοιες περιοδικές καταπονήσεις υφίστανται πολλά μεταλλικά εξαρτήματα, όπως ο διωστήρας στις μηχανές εσωτερικής καύσης, τα αμορτισέρ των αυτοκινήτων, τα πτερύγια των αεροσκαφών και πολλά άλλα. Οι επαναλαμβανόμενες αυτές μηχανικές καταπονήσεις, που αναπτύσσονται σε υλικά - εξαρτήματα μηχανών και κατασκευών, πολύ συχνά οδηγούν, μετά από κάποιες συγκεκριμένες χρονικές περιόδους, σε αστοχίες που είναι γνωστές ως αστοχίες λόγω κόπωσης. Πολύ απλά, κόπωση μπορεί να ορισθεί ως η χαρακτηριστική χρονικά μεταβαλλόμενη καταπόνηση, η οποία μετά από συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία του υλικού (θραύση από κόπωση). Το όριο διαρροής είναι μέτρο της λεγόμενης στατικής αντοχής του υλικού. Στην περίπτωση της κόπωσης, το αντίστοιχο όριο είναι κατώτερο του στατικού και αντιστοιχεί στη δυναμική αντοχή του υλικού. Το δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης που απεικονίζεται στο Σχήμα 2.13, αποτελεί μια ευρέως διαδεδομένη μέθοδο για το χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων κόπωσης των επικαλύψεων. Κατά τη διάρκεια της επαναλαμβανόμενης κρούσης ένας διεισδυτής σφαιρικής γεωμετρίας, συνήθως από σκληρομέταλλο ή κεραμικό υλικό, διεισδύει περιοδικά στην επικάλυψη με μια συγκεκριμένη δύναμη. 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. 20

21 . Σχήμα 2.13: Δοκιμασία κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης και λογισμικό αξιολόγησης ItecPlus. Ο προσδιορισμός της έναρξης της αστοχίας μετά από 10 6 κρούσεις, και άρα της θραύσης της επικάλυψης, μπορεί να ανιχνευθεί με διάφορους τρόπους. Ένας συνήθης τρόπος είναι με τη βοήθεια μικροαναλύσεων EDX (Electron Discharge X-ray micro-analysis), ηλεκτρικού μικροσκοπίου. Ένας άλλος, είναι με την βοήθεια ηλεκτρονικού σαρωτικού μικροσκοπίου λευκού φωτός και τη μέθοδο των τομών κατά μήκος του αποτυπώματος. Στη συνέχεια, γίνεται επιπλέον αξιολόγηση των αποτελεσμάτων με τη χρήση του ειδικού λογισμικού ItecPlus και προκύπτουν η κατανομή των ισοδύναμων τάσεων κατά von Mises, η ακτίνα του αποτυπώματος πριν και μετά την αστοχία της επικάλυψης, καθώς και τα διαγράμματα Smith και Woehler. Σχηματικά η διαδικασία επεξηγείται στο Σχήμα Έτσι μπορεί να προσδιοριστεί το όριο διαρκούς αντοχής των επικαλύψεων, που αντιστοιχεί στη μέγιστη δύναμη για την οποία δεν παρατηρείται αστοχία της επικάλυψης θεωρητικά για απεριόριστο αριθμό κρούσεων. 21

22 Σχήμα 2.14: Κάθετη δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης, αξιολόγηση των αποτελεσμάτων μέσω μικροαναλύσεων EDX και λογισμικό αξιολόγησης ItecPlus. Κριτήριο φθοράς της επικάλυψης αποτελεί η αποκάλυψη του υποστρώματος σε ποσοστό 3% ύστερα από 10 6 κρούσεις, ή όταν η διαφορά στο βάθος των αποτυπωμάτων μετά από 10 4 και 10 6 κρούσεις είναι μεγαλύτερη των 0.5 μm, όπως φαίνεται και στο Σχήμα Πιο συγκεκριμένα, σαν ποσοστό αστοχίας της επικάλυψης FR (Fracture Ratio) χαρακτηρίζεται ο λόγος της επιφάνειας FA προς την επιφάνεια CA. FA (Fracture Area) είναι η επιφάνεια αστοχίας της επικάλυψης κατά τη διάρκεια της δοκιμής εκεί όπου το υπόστρωμα έχει αποκαλυφθεί. Σχήμα 2.15: Κριτήρια αστοχίας της επικάλυψης. 22

23 CA (Crater Area) είναι η δημιουργούμενη επιφάνεια του κρατήρα επαφής μεταξύ του εισβολέα και του επικαλυμμένου δοκιμίου. Χρησιμοποιώντας την μέθοδο αξιολόγησης με τη χρήση ηλεκτρονικού σαρωτικού μικροσκοπίου λευκού φωτός και τη μέθοδο των τομών κατά μήκος του αποτυπώματος, μπορεί να προσδιοριστεί το απομένον βάθος για δεδομένο αριθμό κρούσεων, όπως επεξηγείται και στο αριστερό μέρος του παρακάτω σχήματος Δοκιμασία εισβολής Rockwell C Μια μέθοδος ελέγχου και ποσοτικοποίησης της συνάφειας, είναι μέσω εισβολής. Η διαδικασία αυτή βασίζεται στη διείσδυση με κωνικό αδαμάντινο εισβολέα τύπου Rockwell C. Ο έλεγχος ποιότητας της συνάφειας του συστήματος επικάλυψης-υποστρώματος έχει πολύ μεγάλη σημασία, αφού δίνει τη δυνατότητα τόσο να εκτιμηθεί η ποιότητα των επικαλυμμένων πλακιδίων όσο και να προβλεφθεί, ως ένα βαθμό, η συμπεριφορά τους κατά την κοπή. Στο Σχήμα 2.16, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της διαδικασίας σε 2 διαφορετικά κοπτικά πλακίδια με διαφορετικές επικαλύψεις. Οι αντίστοιχες μετρήσεις έγιναν σε μικροσκόπιο λευκού φωτός και παρουσιάζονται σε τρισδιάστατες παραστάσεις στο αριστερό σχήμα. Είναι εμφανές, ότι στην περίπτωση της επικάλυψης TiN, η παραμόρφωσή της ακολουθεί την αντίστοιχη του υποστρώματος από σκληρομέταλλο λόγω καλής συνάφειας, ακόμη και στην εξωτερική περίμετρο του αποτυπώματος, όπου αναπτύσσονται αυξημένες καμπτικές τάσεις. Στην περίπτωση της επικάλυψης TiSiN όμως, λόγω ανεπαρκούς συνάφειας, η στιβάδα αποκολλάται από το υπόστρωμά της, με αποτέλεσμα τη εμφάνιση ρωγμών και την αστοχία της. Η αποκόλληση της στιβάδας γίνεται αντιληπτή και σε απλές μικροφωτογραφίες, όπως αυτές που είναι καταχωρημένες δεξιά στο σχήμα. 23

24 Σχήμα 2.16: Αποτύπωμα κατά τη δοκιμασία Rockwell C. Η αποκόλληση στην περιοχή της εξωτερικής περιμέτρου του κρατήρα επηρεάζει την ανάκλαση του φωτός και τοιουτοτρόπως προκαλεί διαφορετική σκίαση της περιοχής αυτής. Μη ικανοποιητική συνάφεια μπορεί να οδηγήσει σε μικρορωγμές, διαφορετικής πυκνότητας συγκέντρωσης, ανάλογα με την ποιότητά της. Εάν αποκολλήσεις της στιβάδας εμφανίζονται σε περιορισμένες περιοχές, η συνάφεια μπορεί να χαρακτηρισθεί σαν ικανοποιητική ενώ σαν ανεπαρκής εάν οι δημιουργούμενες αποκολλήσεις είναι σε μεγαλύτερη έκταση γύρω από τον κρατήρα. 24

25 2.5 Φθορά κοπτικών εργαλείων Περιγραφή της φθοράς κοπτικών εργαλείων Με τον όρο φθορά (wear) περιγράφεται η διαδικασία απομάκρυνσης υλικού από ένα ή και από τα δύο σώματα, τα οποία βρίσκονται σε επαφή και σε σχετική κίνηση μεταξύ τους. Το κοπτικό εργαλείο κατά την κοπή υπόκειται σε υψηλές τάσεις στην περιοχή της κοπτικής ακμής που το καταπονούν ιδιαίτερα. Αυτές οφείλονται στην πλαστική παραμόρφωση του κατεργαζόμενου υλικού στη ζώνη διάτμησης, σε τριβές και πλαστική παραμόρφωση του αποβλίττου στη ζώνη επαφής εργαλείου αποβλίττου, καθώς επίσης και σε θραύση του κατεργαζόμενου υλικού για το σχηματισμό νέας επιφάνειας. Επιπρόσθετα, παρατηρείται ανάπτυξη υψηλών και ακανόνιστα κατανεμημένων θερμοκρασιακών πεδίων (της τάξης των 1200 ο C), που παρουσιάζουν επιπλέον υψηλούς ρυθμούς αύξησης της θερμοκρασίας (της τάξης των 10 6 ο C/s) και απότομες βαθμώσεις (μεταβολές από θέση σε θέση κατά μήκος της κοπτικής ακμής). Τα παραπάνω σε συνδυασμό με διάφορες φυσικοχημικές αντιδράσεις μεταξύ των υλικών αποβλίττου και κοπτικού εργαλείου οδηγούν σε επιτάχυνση της εξέλιξης της φθοράς των εργαλείων Μηχανισμοί φθοράς επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων Είναι γνωστό ότι η διάρκεια ζωής ενός κοπτικού εργαλείου είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες κατά την κοπή των μετάλλων, επειδή επηρεάζει αποφασιστικά το κόστος κατεργασίας. Είναι συνεπώς σημαντική η γνώση, όσο το δυνατόν ακριβέστερα, της σχέσης μεταξύ της διαρκείας ζωής του κοπτικού και των συνθηκών κοπής όπως: η ταχύτητα κοπής, η πρόωση (f z ), τα βάθη κοπής (ακτινικό και αξονικό) κ.ά. Η διάρκεια ζωής αποκτά μεγαλύτερη σημασία με την εμφάνιση στην παραγωγή των ψηφιακά καθοδηγούμενων εργαλειομηχανών, οι οποίες αφ' ενός έχουν μεγάλες δυνατότητες από άποψη ακρίβειας, ισχύος και φάσματος στροφών και προώσεων, αφ' ετέρου έχουν μεγάλο κόστος κτήσεως και λειτουργίας. Πρέπει λοιπόν να εργάζονται με βέλτιστες συνθήκες κοπής και με ελάχιστους νεκρούς χρόνους. Για την επιβράδυνση της εξέλιξης της φθοράς των κοπτικών εργαλείων χρησιμοποιούνται πλέον λεπτά υμενίδια (φιλμ) επικαλύψεων. Οι PVD επικαλύψεις θεωρούνται πλέον δεδομένες για την προστασία των κοπτικών εργαλείων από την φθορά. Σήμερα, η βιομηχανία επικαλύψεων παρέχει πολλές επιλογές και παραλλαγές λεπτών σκληρών επικαλύψεων για την προστασία των εργαλείων. Οι μηχανισμοί που εκτυλίσσονται κατά την κοπή και οδηγούν στην αστοχία του επικαλυμμένου κοπτικού εργαλείου, διακρίνονται σε αυτούς που αφορούν τη φθορά της επικάλυψης και σε αυτούς που διέπουν τη φθορά του υποστρώματός τους. 25

26 Οι επικαλύψεις προστατεύουν το κοπτικό εργαλείο με διάφορους τρόπους: Εξαιτίας των πολύ ανώτερων μηχανικών ιδιοτήτων τους σε σχέση με τις αντίστοιχες του υποστρώματος, οι μέγιστες αναπτυσσόμενες τάσεις είναι χαμηλότερες του ορίου διαρροής τους Λόγω της πυκνής κρυσταλλοδομής τους Λόγω των θερμομονωτικών ιδιοτήτων τους, που προστατεύει το υπόστρωμα από τα μεγάλα ποσά θερμότητας που παράγονται κατά την κοπή. Οι μηχανισμοί φθοράς της επικάλυψης που λαμβάνουν χώρα κατά την εξέλιξη της φθοράς των κοπτικών εργαλείων είναι: Αστοχία λόγω μηχανικής υπερφόρτισης (που μπορεί να οφείλεται είτε στην γεωμετρία του κοπτικού πλακιδίου είτε στην κινηματική και στις συνθήκες κοπής που επιλεχτήκαν). Αστοχία λόγω κόπωσης. Αστοχία λόγω φαινομένων οξείδωσης και διάχυσης Αστοχία λόγω κακής συνάφειας υποστρώματος-επικάλυψης. Αστοχία λόγω αυξημένης ψαθυρότητας της επικάλυψης, παράγοντας που μπορεί να επιδράσει καταλυτικά, ιδιαίτερα σε διακοπτόμενη κοπή (φραιζάρισμα). Αστοχία λόγω συναφειακών μικρο-συγκολλήσεων Έχει αποδειχθεί, μεταξύ άλλων, ότι υπάρχει εξάρτηση της φθοράς του εργαλείου και της επικάλυψης από τις συνθήκες κοπής αλλά και το είδος της κατεργασίας. Ένας πολύ σημαντικός παράγοντας είναι αν η δημιουργία του αποβλίττου είναι συνεχής ή μη συνεχής. Κλασσικό παράδειγμα συνεχούς αποβλίττου είναι το τορνάρισμα ενώ ασυνεχούς το φραιζάρισμα. Οι μηχανισμοί φθοράς που κυριαρχούν κατά το φραιζάρισμα χάλυβα φαίνονται στο Σχήμα Σχήμα 2.17: Μηχανισμοί φθοράς που αναπτύσσονται στο εργαλείο κατά τις διεργασίες αφαίρεσης υλικού. 26

27 Οι μηχανικές υπερφορτίσεις αλλά και η υπέρβαση του ορίου αντοχής σε κόπωση κατά την διάρκεια αφαίρεσης υλικού, οδηγούν σε μικρο-θραύσεις της επικάλυψης, κυρίως στη μεταβατική περιοχή από την επιφάνεια ελευθερίας στην αποβλίττου (περιοχή Ι) Η ανάπτυξη αυτού του μηχανισμού αυξάνει τη φθορά στην επιφάνεια ελευθερίας σε χαμηλές ταχύτητες κοπής, χωρίς ταυτόχρονα, να υπάρχει σημαντική φθορά στην επιφάνεια αποβλίττου, και προκαλεί αστοχία του εργαλείου. Επιπλέον, ανάλογα με την θερμοκρασία που αναπτύσσεται και την σύσταση της επικάλυψης, μηχανισμοί οξείδωσης και διάχυσης παρατηρούνται σε υψηλότερες ταχύτητες κοπής, κυρίως στη επιφάνεια αποβλίττου (περιοχή ΙΙ). Λόγω των μηχανισμών αυτών, παρατηρείται μια χειροτέρευση των μηχανικών ιδιοτήτων της επικάλυψης, η οποία επιταχύνει την φθορά λόγω τριβής. Επιπρόσθετα, η ποιότητα της συνάφειας επηρεάζει σημαντικά την φθορά της επικάλυψης, αφού ανεπαρκής σύνδεση της επικάλυψης με το υπόστρωμα αυξάνει τις τάσεις που αναπτύσσονται.οι μηχανισμοί αυτοί αναπτύσσονται στην περιοχή Ι της κοπτικής ακμής και οδηγούν σε αστοχία της επικάλυψης και απότομη φθορά. Εν τέλει, οι συναφειακές μικροσυγκολλήσεις που οδηγούν σε αποδόμηση της επικάλυψης στις χαμηλές ταχύτητες κοπής, είναι αποτέλεσμα κάποιων κοινών στοιχείων επαφής μεταξύ των υλικών κατεργαζόμενου τεμαχίου και επικάλυψης. Κατά το φραιζάρισμα, κρουστικά φορτία με διαφορετικά μεγέθη και διάρκειες ασκούνται στην κοπτική ακμή του εργαλείου, τα οποία μπορεί να οδηγήσουν σε αστοχία λόγω κόπωσης της επικάλυψης και επιπρόσθετα σε αυξημένη φθορά του εργαλείου. Οι ιδιότητες κόπωσης της επικάλυψης που δημιουργήθηκε με φυσική εναπόθεση ατμών σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος και υψηλότερες, προσδιορίστηκαν μέσω δοκιμών κάθετης κρούσης.οι μηχανισμοί έναρξης της αστοχίας λόγω κόπωσης των επικαλύψεων και η περαιτέρω εξέλιξή τους, έχουν επίσης διερευνηθεί διεξοδικά μέσω δοκιμών κρούσης. Επιπλέον, μέσω αναλυτικής αξιολόγησης της δοκιμασίας νανοδιείσδυσης και της κάθετης κρούσης, καθορίζονται οι τάσεις αντοχής σε κόπωση της επικάλυψης με τη μορφή διαγραμμάτων Woehler. Κατά τη δοκιμασία της κρούσης, οι συνθήκες φόρτισης της επικάλυψης, και η θερμοκρασία ρυθμίζονται κατάλληλα για να περιγραφούν πλήρως οι συνθήκες που εμφανίζονται κατά το φραιζάρισμα στην περιοχή της κοπτικής ακμής του εργαλείου. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα που απεικονίζει την πρώτη αποκάλυψη του υποστρώματος ενός επικαλυμμένου εργαλείου συναρτήσει του αριθμού των κρούσεων κατά το φραιζάρισμα παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.18.Η πρώτη αστοχία της επικάλυψης, και κατ επέκταση, αποκάλυψη του υποστρώματος, εμφανίζεται περίπου μετά από 4000 κρούσεις, κάτι που φαίνεται και από στοιχειομετρήσεις με ηλεκτρονική μικροσκοπία στις περιοχές Α και Β. 27

28 Σχήμα 2.18: Εξέλιξη της φθοράς της επικάλυψης για τορνάρισμα και φραιζάρισμα. Στην περιοχή Β, εντοπίστηκαν χημικά στοιχεία, όπως βολφράμιο και κοβάλτιο. Στην περιοχή Α (επιφάνεια αποβλίττου), λόγω των χαμηλών μηχανικών και θερμικών φορτίων που συνδέονται με τις συνθήκες κοπής, δεν παρατηρείται αστοχία της επικάλυψης. Αντίθετα, κατά το τορνάρισμα, με τα ίδια εργαλεία και υλικά, καθότι η διαδικασία είναι συνεχής και δεν υπάρχουν κρουστικά φορτία στην κοπτική ακμή, η φθορά στην επιφάνεια ελευθερίας είναι δραστικά μειωμένη, όπως φαίνεται στο ίδιο σχήμα. Κατά την περίπτωση αυτή, οι μηχανισμοί φθοράς που επικρατούν είναι η μηχανική υπερφόρτιση και απόξεση και όχι η κόπωση. Η διάρκεια ζωής του εργαλείου, στην περίπτωση αυτή εξαρτάται έντονα από την ταχύτητα κοπής, άρα και την θερμοκρασία που αναπτύσσεται, καθότι τα φαινόμενα αποξέσεων που διέπουν τα τελευταία στάδια της κοπής, σχετίζονται με την παράμετρο αυτή. Η μείωση των τάσεων στην περιοχή επαφής λόγω του σχηματισμού του αποβλίττου καθώς η επικάλυψη αστοχεί προοδευτικά, βελτιώνει τη ροή θερμότητας στο εργαλείο, αυξάνει την παραμόρφωση του αποβλίττου καθώς και την κοινή περιοχή επαφής εργαλείου-τεμαχίου. Έτσι μειώνονται οι τάσεις τοπικά, κάτι που οδηγεί σε βελτίωση της διάρκειας ζωής του εργαλείου. 28

29 Σχήμα 2.19: Προσδοκώμενη πρώτη αστοχία της επικάλυψης κατά το φραιζάρισμα βάσει του διαγράμματος Woehler. Η μεγάλη αυτή διαφοροποίηση στην εξέλιξη της φθοράς φανερώνει πόσο επίπονα είναι τα δυναμικά φορτία για την επικάλυψη και πόσο διαφορετική είναι η συμπεριφορά της σε επίπεδο μηχανικών ιδιοτήτων. Επιπλέον, η μέγιστη von Mises τάση που προκύπτει με υπολογισμούς πεπερασμένων στοιχείων, ανέρχεται σε 4.2 GPa περίπου και αναπτύσσεται στην περιοχή μεταξύ της επιφάνειας αποβλίττου και ελευθερίας. Η τιμή αυτή εισάγεται στο σχετικό διάγραμμα Woehler όπως παρουσιάζεται στο σχήμα Με τον τρόπο αυτό μπορεί να προκύψει η πληροφορία ότι για αυτό το μέγεθος της τάσης, η αστοχία της επικάλυψης λόγω κόπωσης αναμένεται μετά από κρούσεις. Ο αριθμός αυτός αντιστοιχεί στον αριθμό των κοπών μέχρι την πρώτη θραύση της επικάλυψης που απεικονίζεται στο σχήμα Βάσει όσων αναλύθηκαν παραπάνω, καθίσταται αναγκαία η περαιτέρω διερεύνηση των ιδιοτήτων κόπωσης. Είναι εμφανές ότι με τις υπάρχουσες διατάξεις και μεθοδολογίες δεν μπορεί να προκύψει άμεσα κάποια ποσοτική αξιολόγηση των ιδιοτήτων που προκαλούν τις τόσο μεγάλες διαφοροποιήσεις στην συμπεριφορά των επικαλύψεων ανάλογα την περίπτωση. 29

30 3. Σκοπός εργασίας Το κύριο πρόβλημα μέχρι και σήμερα στον τομέα της ανάπτυξης και τεχνολογίας των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων είναι η έλλειψη βασικών πληροφοριών και γνώσεων σχετικά με τους μηχανισμούς φθοράς του υποστρώματος και της επικάλυψης κατά τη διάρκεια της αφαίρεσης υλικού. Αυτό σημαίνει, ότι για νέα συστήματα επικάλυψηςυποστρώματος έπρεπε συνεχώς να διεξάγονται δαπανηρά πειράματα για να βρεθούν κατάλληλοι συνδυασμοί επικαλύψεων υποστρώματος. Η αυξημένη διάρκεια ζωής του επικαλυμμένου κοπτικού εργαλείου εξαρτάται από ένα πλήθος παραγόντων, όπως η εντατική κατάσταση που δημιουργείται στο κοπτικό εργαλείο κατά την διάρκεια της κατεργασίας, η γεωμετρία του κοπτικού,η ύπαρξη πολυστρωματικών επικαλύψεων καθώς και το πάχος της επικάλυψης. Όλοι οι παραπάνω παράγοντες σε συνδυασμό με τις μηχανικές ιδιότητες των υλικών πρέπει να λαμβάνονται υπόψη για την βελτιστοποίηση των συστημάτων επικάλυψης-υποστρώματος. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η πειραματική διερεύνηση της εφαρμογής μονοστρωματικών, πολυστρωματικών και νανοδομημένων επικαλύψεων, επί των ιδιοτήτων κόπωσης και της απόδοσης κοπής. Αποτελεί ένα πεδίο που μέχρις στιγμής δεν έχει μελετηθεί σε πολύ βάθος. Για αυτό το λόγο στη παρούσα εργασία υπάρχει μια αρκετά καλή διεύρυνση αυτού του παράγοντα. Επίσης γίνεται μια σύγκριση μικροδομημένων-κιονοειδών επικαλύψεων (ΗΙS) με νανοδομημένες επικαλύψεις (HPPMS) σε απόδοση κοπής. Τέλος γίνετε μελέτη της επίδρασης του πάχους της επικάλυψης των δύο προαναφερθέντων δομών επικαλύψεων. 30

31 4.Πειραματικές διατάξεις 4.1.Συσκευή νανοσκληρομέτρησης Σημαντική παράμετρος για την εξέλιξη των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων αποτελεί η γνώση των μηχανικών ιδιοτήτων αντοχής και της σκληρότητας των επικαλύψεων. Οι σύγχρονες συσκευές νανοδιείσδυσης παρέχουν τη δυνατότητα εκτίμησης των ιδιοτήτων αντοχής των υλικών. Για τον προσδιορισμό τους χρησιμοποιήθηκε το Νανοσκληρόμετρο FISCHERSCOPE H100 της εταιρίας Helmut FISCHER GmbH & Co που παρουσιάζεται στο σχήμα 4.1. Η αρχή λειτουργίας του βασίζεται στη διείσδυση κατάλληλου εισβολέα στην επικάλυψη και τον έμμεσο προσδιορισμό των διαστάσεων του αποτυπώματος, μέσω της μέτρησης του βάθους διείσδυσης. Ο εισβολέας μπορεί να είναι αδαμάντινος τύπου Berkovich, Vickers ή μεταλλική σφαίρα διαμέτρου mm. Η συσκευή είναι πλήρως αυτοματοποιημένη μέσω του ειδικού λογισμικού WIN-HCU ver.3.1. Η τράπεζα εργασίας μπορεί να μετακινηθεί σε περιοχή 50x50 mm, ενώ η καθοδήγηση της γίνεται είτε μέσω υπολογιστή είτε με ειδικό χειριστήριο. Η ακρίβεια στην κατεύθυνση XY είναι της τάξεως των 10 μm. Το εφαρμοζόμενο φορτίο μπορεί να ποικίλει από 1 μέχρι 1000 mn με διακριτοποίηση 0.1 mn. Ορισμένες από τις δυνατότητες της συσκευής είναι 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, και η απευθείας μέτρηση της σκληρότητας Vickers με βάση το DIN Σχήμα 4.1: Νανοσκληρόμετρο FISCHERSCOPE H100 της εταιρείας FISCHER GmbH & Co. 31

32 4.2 Συσκευή μέτρησης πάχους επικάλυψης Η κατανομή του πάχους της επικάλυψης στις επιφάνειες αποβλίττου και ελευθερίας, επηρεάζει σημαντικά την εξάπλωση της φθοράς κατά την κοπή. Πιο παχύ στρώμα επικάλυψης στην επιφάνεια αποβλίττου του εργαλείου σε σχέση με την επιφάνεια ελευθερίας και επιπλέον παχύ και ομοιόμορφα κατανεμημένο στην κοπτική ακμή, βελτιώνει την συμπεριφορά κατά το φραιζάρισμα. Η αποτίμηση του πραγματικού πάχους της επικάλυψης κοντά στην κοπτική ακμή έγινε μέσω δοκιμών κρατεροποίησης. Με τη βοήθεια μιας συσκευής εστιακής ανίχνευσης, το πάχος της επικάλυψης στις περιοχές αποβλίττου και ελευθερίας μπορεί να προσδιοριστεί όπως φαίνεται στο σχήμα 4.2. Η μέτρηση του πάχους επικάλυψης γίνεται μέσω απόξεσης με τη συσκευή κρατεροποίησης της εταιρίας CemeCon AG (βλέπε σχήμα 4.2). Κατά τη μέτρηση, σφαίρα σκληρομετάλλου περιστρέφεται πάνω στην προς εξέταση επικάλυψη είτε ωρολογιακά είτε αντιωρολογιακά. Μεταξύ σφαίρας και επικάλυψης παρεμβάλλεται διάλυμα διαμαντόσκονης που φθείρει την επικάλυψη, με αποτέλεσμα να εμφανίζεται μετά το τέλος της δοκιμασίας σφαιρικό αποτύπωμα παρόμοιο με αυτό που απεικονίζεται στο δεξί πάνω μέρος του σχήματος 4.2. Η χρονική διάρκεια της όλης διαδικασίας εξαρτάται από το πάχος της εξεταζόμενης επικάλυψης. Ενδεικτικά, αναφέρεται ότι για επικάλυψη 3 μm απαιτείται περίπου 1 με 1,5 λεπτά. Αυτά τα αποτυπώματα αποτιμήθηκαν με τη βοήθεια διαγραμμάτων που προκύπτουν από ομοεστιακό μικροσκόπιο, περιγράφοντας τις μεταβολές του βάθους του κρατήρα συναρτήσει του πλάτους του. Σχήμα 4.2: Συσκευή προσδιορισμού πάχους επικάλυψης με χρήση ομοεστιακό μικροσκόπιο. 32

33 Μέσω ακτινικών μετρήσεων στην περιφέρεια του αποτυπώματος προκύπτει η μέση τιμή για το πάχος της επικάλυψης. Επίσης ένας άλλος τρόπος υπολογισμού του πάχους της επικάλυψης είναι και με μικροσκόπιο με μεγάλη ακρίβεια. Η διαδικασία υπολογισμού του πάχους της επικάλυψης με αυτή τη μέθοδο δίνεται στο σχήμα 4.3. Σχήμα 4.3: προσδιορισμός πάχους επικάλυψης με χρήση μικροσκοπίου. 4.3 Οπτική και σαρωτική ηλεκτρονική μικροσκοπία Η μελέτη της επιφάνειας δοκιμίων, της φθοράς καθώς και όλων των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από όλες τις διεργασίες που περιγράφηκαν, απαιτεί τη χρήση μικροσκοπίων. Κατά τη διάρκεια της παρούσας εργασίας χρησιμοποιήθηκαν διαφόρων τύπων μικροσκόπια, τα οποία και περιγράφονται παρακάτω. 33

34 4.3.1 Δισδιάστατο σαρωτικό μικροσκόπιο Ο έλεγχος της φθοράς της επικάλυψης, καθώς και όλων των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από τις διεργασίες που περιγράφηκαν, απαιτεί τη χρήση μικροσκοπίων. Κατά τη διάρκεια της παρούσας εργασίας χρησιμοποιήθηκαν διαφόρων τύπων μικροσκόπια. Σε αυτήν την παράγραφο παρουσιάζεται το ομοεστιακό μικροσκόπιο μsurf της εταιρίας NanoFocus AG, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.4. Πρόκειται για ένα μικροσκόπιο ιδιαίτερα εξελιγμένο που παρέχει τη δυνατότητα τρισδιάστατης απεικόνισης του αποτυπώματος και οπτικής αξιολόγησης της αστοχίας ή όχι, της επικάλυψης. Ένας φακός υψηλής εστίασης χρησιμοποιείται για την απεικόνιση και την καταγραφή μέσω φωτογραφίας ενός επιπέδου μέσω της αντανάκλασης του φωτός, που προσπίπτει στην προς καταγραφή επιφάνεια. Ο χειριστής ορίζει μία περιοχή ύψους ανάμεσα στην οποία γίνεται βηματική καταγραφή των περιοχών της επιφάνειας. Μέσω κατάλληλου λογισμικού γίνεται η σύνθεση των πληροφοριών και η παρουσίαση τους σαν μια ενιαία τρισδιάστατη επιφάνεια. Ο χειριστής μπορεί να ρυθμίσει τόσο την ακρίβεια της διαίρεσης της περιοχής μέτρησης, όσο και την ένταση του φωτός που προσπίπτει στην επιφάνεια και χρησιμοποιείται για τη μέτρηση. Πριν τη διαδικασία της μέτρησης, τα δοκίμια πρέπει να καθαριστούν με αλκοόλη για καλύτερα αποτελέσματα, ενώ για την τοποθέτηση των πλακιδίων κάτω από το φακό χρησιμοποιείται ιδιοσυσκευή που εξασφάλιζε την ακριβή θέση του δοκιμίου κάθε φορά πάνω στην τράπεζα. Σχήμα 4.4: Ομοεστιακό μικροσκόπιο μsurf και αρχή λειτουργίας του. 34

35 4.3.2 Οπτικό μικροσκόπιο Ο έλεγχος της φθοράς των επιφανειών ελευθερίας και αποβλίττου των εξεταζόμενων δοκιμίων σε διάφορα στάδια της κοπής, σε διάφορες ταχύτητες και προώσεις, καθώς και η αξιολόγηση Σχήμα 4.5: Οπτικό μικροσκόπιο της εταιρίας Zeiss. των αποτυπωμάτων που προέκυψαν από τα πειράματα επαναλαμβανόμενης κρούσης, έγιναν με τη βοήθεια στερεοσκοπικού Μικροσκοπίου. Στο Σχήμα 4.5 φαίνεται το στερεοσκοπικό μικροσκόπιο τύπου Stemi 2000-C της εταιρίας Zeiss, το οποίο είναι συνδεδεμένο με υπολογιστή και έχει τη δυνατότητα λήψης και αποθήκευσης των φωτογραφιών. 4.4 Συσκευή εισβολής Η μέθοδος σκληρομέτρησης Rockwell είναι η πλέον διαδεδομένη. Χρησιμοποιείται κυρίως για σιδηρούχα αλλά και μη σιδηρούχα δοκίμια καθώς είναι απλή, γρήγορη και οικονομική. Μέσω της διαδικασίας εισβολής μπορούν να εξαχθούν συμπεράσματα για την ποιότητα της συνάφειας της επικάλυψης με το υπόστρωμα. Η διαδικασία διεξάγεται με εισβολέα Rockwell C, όπως προδιαγράφεται από τη σύσταση VDI 3198/1991 και για τις ανάγκες της παρούσας μελέτης χρησιμοποιήθηκε σκληρόμετρο Rockwell της εταιρίας Galileo και παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.6. Ένας αδαμάντινος εισβολέας διεισδύει στην επικάλυψη με φορτίο που φτάνει τα 150 dan. Στη συνέχεια αξιολογούνται οι μικρορωγμές περιφερειακά του αποτυπώματος εισβολής καθώς και οι ζώνες συναφειακής αστοχίας. 35

36 Σχήμα 4.6: Συσκευή σκληρομέτρησης Galileo Rockwell C. 4.5 Κάθετο δοκιμαστήριο κρούσης Προκειμένου να χαρακτηριστεί η επάρκεια της ένωσης επικάλυψης και υποστρώματος για την αντοχή σε δυναμικές συνθήκες φόρτισης, αναπτύχθηκε μια τεχνική ελέγχου, η λεγόμενη δοκιμή κρούσης. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η δοκιμασία αυτή αποτελεί μια αξιόπιστη μέθοδο για τον χαρακτηρισμό της δυναμικής συμπεριφοράς των επικαλύψεων, καθορίζοντας ποσοτικά τη συμπεριφορά κόπωσης του συστήματος επικάλυψης και υποστρώματος υπό μορφή γενικών διαγραμμάτων δυναμικής αντοχής. Η κύρια διάταξη αποτελείται από τρία βασικά τμήματα, το μηχανικό τμήμα, τον πίνακα ελέγχου και τη μονάδα ελέγχου. Μια σχηματική αναπαράσταση παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.7. 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 36

37 Σχήμα 4.7: Γενική άποψη του δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου. 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). Εξαιτίας της πλαστικής παραμόρφωσης του υποστρώματος που αναπτύσσεται κατά τη διάρκεια της φόρτισης, η περιοχή επαφής δεν επανέρχεται στην αρχική της επίπεδη μορφή και έτσι δημιουργείται ένα κοίλο αποτύπωμα. Το αποτύπωμα αυτό μπορεί να φωτογραφηθεί μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας και να παρασταθεί με τρισδιάστατη απεικόνιση. Το συγκεκριμένο αποτύπωμα χρησιμοποιείται για την ποσοτικοποίηση του βαθμού στον οποίο η επικάλυψη έχει αστοχήσει. Η επικάλυψη αστοχεί είτε λόγω συνάφειας είτε λόγω συνοχής. 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. Αυτό αντιστοιχεί στην διαρκή αντοχής της επικάλυψης. Ο τρόπος που θα γίνει αυτό καθώς και τα κριτήρια που θα χρησιμοποιηθούν παρουσιάζονται στο Σχήμα

38 Επιλέγεται σαν εμπειρικό κριτήριο είτε ο λόγος επιφάνειας αστοχίας να είναι πάνω από 5%, είτε το βάθος αστοχίας της επικάλυψης να είναι περίπου ίσο με 0.5 μm. Σχήμα 4.8: Κριτήρια αστοχίας της επικάλυψης Συνθήκες λειτουργίας κάθετου δοκιμαστηρίου κρούσης Όπως έχει ήδη αναφερθεί η δοκιμασία κρούσης είναι μια αξιόπιστη μέθοδος και χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων κόπωσης των επικαλύψεων. Για τον λόγο αυτό αναπτύχθηκε και εξελίχθηκε το δοκιμαστήριο που παρουσιάζεται στην προηγούμενη παράγραφο. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά όμως και οι συνθήκες λειτουργίας του δεν ενδείκνυνται για την εξαγωγή συμπερασμάτων όσον αφορά τον ρυθμό παραμόρφωσης. Τα δυναμικά φορτία του κλασσικού δοκιμαστηρίου κρούσης έχουν συχνότητα 50 Hz και συγκεκριμένη μορφή σήματος δύναμης κρούσης. Το περιβάλλον λειτουργίας του λογισμικού Labview που χρησιμοποιείται παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.9. Στο σχήμα φαίνονται τα πλαίσια στα οποία βάζει ο χρήστης τα δεδομένα εισόδου για την έναρξη του πειράματος. Μία μεγέθυνση του σήματος δύναμης κρούσης που παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.10, δείχνει ακριβώς τη γεωμετρία και την διάρκεια του παλμού. 38

39 Σχήμα 4.9: Γραφικό περιβάλλον ελέγχου διάταξης κρουστικού ελέγχου. Σχήμα 4.10: Μορφή σήματος δύναμης κρούσης του κλασσικού δοκιμαστηρίου κρούσης. 39

40 4.6 Οριζόντιο δοκιμαστήριο κρούσης Όπως προκύπτει από τα παραπάνω, για την διερεύνηση της επίδρασης του ρυθμού παραμόρφωσης στην συμπεριφορά της επικάλυψης προέκυψε η ανάγκη δημιουργίας ενός δοκιμαστηρίου κρούσης που θα παρείχε τη δυνατότητα δημιουργίας ενός μεταβλητού σήματος δύναμης κρούσης. Με την δυνατότητα αυτή είναι εφικτή η δημιουργία σημάτων πολύ κοντά στη μορφή των φορτίων που εμφανίζονται κατά την κοπή. Στο Σχήμα 4.11 παρουσιάζεται σχηματικά η διάταξη του οριζόντιου δοκιμαστηρίου κρούσης. Να σημειωθεί ότι η διάταξη αυτή αποτελεί μια εντελώς νέα και πρωτότυπη συσκευή, η οποία σαφώς και έχει αρκετά περιθώρια εξέλιξης και βελτίωσης. Σχήμα 4.11 Η διάταξη οριζόντιου δοκιμαστηρίου κρούσης με μεταβλητά χαρακτηριστικά δύναμης κρούσης, 40

41 4.7 Ψηφιακό κέντρο κατεργασίας CNC τριών αξόνων Για την μελέτη της απόδοσης κατά την κοπή των διαφόρων επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων που εξετάστηκαν, διεξήχθησαν πειράματα φραιζαρίσματος. Στο Σχήμα 4.12 φαίνεται το ψηφιακά καθοδηγούμενο τριαξονικό κέντρο κατεργασίας της εταιρείας JOHNFORD με καθοδήγηση FANUC Series O-M, το οποίο βρίσκεται στο ΕΕΔΜ. Διαθέτει σειριακή θύρα και υπάρχει η δυνατότητα επικοινωνίας με ηλεκτρονικό υπολογιστή. Για τον προγραμματισμό του κέντρου κατεργασίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν κάποιες από τις έτοιμες υπορουτίνες που διαθέτει η μηχανή. Επιπλέον, υπάρχει η δυνατότητα πλήρους ελέγχου των παραμέτρων κοπής. Η τράπεζα της μηχανής κινείται στους άξονες Χ,Υ, ενώ το εργαλείο κινείται στον άξονα Ζ. Σε αυτό το κέντρο κατεργασίας διεξήχθησαν τα πειράματα με αφαίρεση υλικού για την εξακρίβωση της απόδοσης κοπής των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων. Σχήμα 4.12: Πολυαξονικό ψηφιακό κέντρο κατεργασίας. 41

42 5. Μελέτη μικροδομημένης-κιονοειδής επικάλυψης με τη μέθοδο φυσικής εναπόθεσης με υψηλό ιονισμό H.I.S(High Ionization Sputtering) Για την διεξαγωγή των πειραμάτων και την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας το εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας(ΕΕΔΜ) παρέλαβε μια σειρά από κοπτικά πλακίδια με διαφορετικά πάχη επικάλυψης και διαφορετικό αριθμό στρώσεων επικαλύψεων. Πιο συγκεκριμένα παραλήφθηκαν 5 σετ κοπτικών εργαλείων που παρήχθησαν με τη μέθοδο φυσικής εναπόθεσης με υψηλό ιονισμό H.I.S.Aναλυτικά : Κοπτικά πλακίδια με μία στρώση επικάλυψης πάχους 8μm (1x8) Κοπτικά πλακίδια με μία στρώση επικάλυψης πάχους 4μm (1x4) Κοπτικά πλακίδια με μία στρώση επικάλυψης πάχους 2μm (1x2) Κοπτικά πλακίδια με δύο στρώσεις επικάλυψης πάχους 4μm εκάστοτε(2x4) Κοπτικά πλακίδια με τέσσερεις στρώσεις επικάλυψης πάχους 2μm εκάστοτε(4x2) 5.1 Καθορισμός του πάχους της μικροδομημένης-κιονοειδής επικάλυψης Ο καθορισμός του πάχους της επικάλυψης στα προαναφερθέντα πλακίδια μελετήθηκε σε προηγούμενη διπλωματική εργασία (βλέπε βιβλιογραφία). Η αποτίμηση του πραγματικού πάχους της επικάλυψης κοντά στην κοπτική ακμή έγινε μέσω δοκιμών κρατεροποίησης(όπως δείξαμε στη παράγραφο 4.2). Με τη βοήθεια μιας συσκευής εστιακής ανίχνευσης, μπορεί να προσδιοριστεί το πάχος της επικάλυψης στις περιοχές αποβλίττου και ελευθερίας. Τα αποτυπώματα της σφαίρας με την οποία γίνονται τα πειράματα κρατεροποίησης, έγιναν πολύ κοντά στις κοπτικές ακμές, προκειμένου να πετύχουμε την ακριβή μορφολογία της περιοχής και να βρούμε το πάχος της επικάλυψης. Η αξιολόγηση του πραγματικού πάχους της επικάλυψης έγινε και με τη χρήση μικροσκοπίου όπως και με το ομοεστιακό μικροσκόπιο Nano Focus. Από την προηγούμενη εργασία πήραμε δεδομένα για τα πάχη επικάλυψης και με τις δύο μεθοδολογίες τα οποία συγκλίνουν αρκετά, στοιχείο που δείχνει ότι έχουν υπολογιστεί σωστά και με ακρίβεια τα πάχη των εκάστοτε επικαλύψεων. 42

43 5.2 Υπολογισμός επιφανειακών ιδιοτήτων κοπτικών πλακιδίων μικροδομημένης-κιονοειδής επικάλυψης Ο υπολογισμός των επιφανειακών ιδιοτήτων μελετήθηκε όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως σε προηγούμενη διπλωματική εργασία (βιβλιογραφία) Για τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων του υποστρώματος και της επικάλυψης πραγματοποιήθηκαν πειράματα νανοδιείσδυσης σε μέγιστο φορτίο 15 mn. Από τα πειράματα προκύπτουν οι καμπύλες δύναμης διείσδυσης με βάθος διείσδυσης Κάθε καμπύλη αποτελεί ένα μέσο όρο 80 μετρήσεων. Άρα ο αριθμός των 80 μετρήσεων που επιλέχθηκαν να γίνουν σε κάθε επικάλυψη θεωρείται ικανοποιητικός ώστε να εξαχθούν σωστά αποτελέσματα για τις μηχανικές ιδιότητες της εκάστοτε επικάλυψης. Συνοπτικά στο σχήμα 5.1 δίνονται για την εκάστοτε μονοστρωματική επικάλυψη τα μέγιστα βάθη διείσδυσης όπως προέκυψαν από τις καμπύλες νανοδιείσδυσης. Παρατηρώντας το σχήμα 5.1 η επικάλυψη των 8μm παρουσιάζει το μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης, 182nm, από τις εξεταζόμενες επικαλύψεις. Μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης συνεπάγεται μικρότερη σκληρότητα. Συνεπώς η επικάλυψη με πάχος 8μm παρουσιάζει τη μικρότερη σκληρότητα διείσδυσης ενώ η επικάλυψη των 2 μm τη μεγαλύτερη καθώς το μέγιστο βάθος διείσδυσης φτάνει τα 152 nm. Τα μέγιστα βάθη διείσδυσης για την επικάλυψη 4μm είναι 165 nm. Σχήμα 5.1: Μέγιστα βάθη διείσδυσης για τις εξεταζόμενες επικαλύψεις 43

44 Οι καμπύλες τάσης παραμόρφωσης των επικαλύψεων μπορούν να προσδιοριστούν μέσω μιας συνεχούς προσομοίωσης της διαδικασίας διείσδυσης με χρησιμοποίηση της Μεθόδου των Πεπερασμένων Στοιχείων (FEM) (αλγόριθμος SSCUBONI (Stress Strain CUrves Based On NanoIndentations). Το εφαρμοζόμενο μοντέλο FEM παρουσιάζεται ποιοτικά στο σχήμα 5.2.β. Η πραγματική μορφή της αιχμής του εισβολέα διαφέρει από την ιδανική αιχμηρή μορφή. Γενικά η πραγματική γεωμετρία αιχμής του εισβολέα θεωρείται ως μία σφαιρική περιοχή με σχετικά μεγάλη ακτίνα καμπυλότητας. Μια ικανοποιητική προσέγγιση αυτής της καμπύλης είναι η αντικατάσταση της από μια ευθεία γραμμή. Έτσι, η σφαιρική περιοχή της αιχμής του εισβολέα αντικαθίσταται μέσω μιας κωνικής, μέσω των μεγεθών b και t h, όπου b είναι το πλάτος της περιοχής της αιχμής του εισβολέα και t h είναι το ύψος του αντίστοιχου ισοδυνάμου κώνου. Σχήμα 5.2: Συνεχή FEM προσομοίωση της διαδικασίας νανοδιείσδυσης για την εξαγωγή των καμπύλων τάσης παραμόρφωσης καθώς και περιγραφή της πραγματικής γεωμετρίας της αιχμής του εισβολέα. 44

45 Μετά τη διαδικασία FEM προσομοίωση της νανοδιείσδυσης είναι δυνατό να εξάχθούν οι καμπύλες τάσεις παραμόρφωσης για μονοστρωματικά πλακίδια με πάχος επικάλυψης 2μm,4μm και 8μm,όπως φαίνεται στο σχήμα 5.3. Σχήμα 5.3: Καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης για τις εξεταζόμενες επικαλύψεις. Μπορεί να διαπιστωθεί ότι όλες οι επικαλύψεις έχουν το ίδιο μέτρο ελαστικότητας (620 GPa),αφού όλες είναι από την ίδια σύσταση TiAlN. Από την άλλη μεριά δεν παρατηρείται κάτι αντίστοιχο και στην περίπτωση του ορίου διαρροής όπου η επικαλύψεις με πάχος 2μm έχει όριο διαρροής που ανέρχεται στην τιμή των 6 GPa σε σχέση,το οποίο είναι το μεγαλύτερο από όλες τις εξεταζόμενες επικαλύψεις. Η επικάλυψη με πάχος 4μm έχει το δεύτερο μεγαλύτερο όριο διαρροής (4.8 GPa), ενώ το μικρότερο όριο διαρροής το παρουσιάζει η επικάλυψη με πάχος 8μm(3.5 GPa). Τέλος, για το όριο θραύσης παρατηρείται ότι και στο όριο διαρροής, καθώς για την επικάλυψη 2μm φτάνει τα 9.95 GPa, για την επικάλυψη 4μm τα 7.1 GPa ενώ για την επικάλυψη 8μm τα 5.2 GPa. Συγκριτικά η επικάλυψη 2μm παρουσιάζει το όριο διαρροής καθώς και όριο θραύσεως, ενώ η επικάλυψη των 8μm παρουσιάζει τις χειρότερες μηχανικές ιδιότητες. Τα δεδομένα αυτά χρησιμοποιούνται για τους υπολογισμούς με πεπερασμένα στοιχεία στις προσομοιώσεις νανοδιείσδυσης. 45

46 5.3 Προσδιορισμός αντοχής σε κόπωση μικροδομημένης-κιονοειδής επικάλυψης Η δοκιμή κρούσης που αναφέρθηκε παραπάνω (βλέπε κεφάλαιο 4.5,4.6) χρησιμοποιείται μεταξύ άλλων για τον χαρακτηρισμό της κόπωσης PVD επικαλύψεων. Κατά τη δοκιμασία αυτή, η επικάλυψη παραμορφώνεται ελαστικά και το υπόστρωμα ελαστοπλαστικά ανάλογα με το φορτίο της κρούσης. Η έναρξη της αστοχίας της επικάλυψης προκαλείται κυρίως από τους μηχανισμούς κόπωσης. Οι μηχανισμοί αυτοί οδηγούν σε σταδιακή απομάκρυνση τμημάτων της επικάλυψης στην περιοχή επαφής μεταξύ της σφαίρας και του δοκιμίου σε σημεία με μεγάλες φορτίσεις. Γενικά, μετά την έναρξη της αστοχίας παρατηρείται απότομη φθορά και αποδόμηση της επικάλυψης. Στα παρακάτω πειραματικά αποτελέσματα, μετά από μόλις κρούσεις δεν παρατηρείται κανενός είδους αστοχία της επικάλυψης. Η αστοχία της επικάλυψης λόγω κόπωσης παρατηρείται μετά από κρούσεις. Όπως θα φανεί στα παρακάτω σχήματα το βάθος του αποτυπώματος μετά από κρούσεις που οφείλεται σε πλαστική παραμόρφωση αναφέρεται ως RID 1 ενώ το αντίστοιχο μετά από κρούσεις ως RID 2. Η διαφορά μεταξύ των υπολοίπων βαθών αποτυπώματος αντιστοιχεί στο βάθος αστοχίας της επικάλυψης CFD. Έτσι η θραύση λόγω κόπωσης της επικάλυψης μετά από 10 6 κρούσεις μπορεί να ποσοτικοποιηθεί με το βάθος αστοχίας επικάλυψης CFD. Στη παρούσα διπλωματική εργασία η συμπεριφορά της επικάλυψης σε κόπωση μελετήθηκε μέσω δοκιμών κρούσης, σε οριζόντιο και κάθετο δοκιμαστήριο, σε διαφορετικούς χρόνους κρούσεις οι οποίοι προσεγγίζουν αυτούς κατά τη διάρκεια φραιζαρίσματος. Σε όλες τις περιπτώσεις εφαρμόστηκε τριγωνική μορφή σήματος όπως φαίνεται στο πάνω μέρος του σχήματος 5.4. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν εκτενώς δύο πλακίδια με κιονοειδή δομή, αυτό με με μία στρώση επικάλυψης πάχους 8μm (1x8) και αυτό με τέσσερις στρώσεις επικάλυψης πάχους 2μm εκάστοτε(4x2). Στο σχήμα 5.4 παρουσιάζονται οι καμπύλες όσον αφορά την αντοχή σε κόπωση της μονοστρωματικής επικάλυψης πάχους 8μm (1x8),σχετικά με τα φορτία κρούσης σε διαφορετικούς χρόνους κρούσης t e.η θραύση λόγω κόπωσης της επικάλυψης μετά από κρούσεις ποσοτικοποιήθηκε όπως έχει ήδη αναφερθεί παραπάνω μέσω CFD. Το βάθος αστοχίας της επικάλυψης CFD στη προκειμένη περίπτωση για επικάλυψη 8μm ανέρχεται σε 0,5μm. Οι καμπύλες του διαγράμματος αυτού(σχήμα 5.4), προκύπτουν από την αφαίρεση του βάθους που οφείλεται στην πλαστική παραμόρφωση και υπολογίζεται μετά από 10 4 κρούσεις από το βάθος μετά από 10 6 κρούσεις στο ίδιο φορτίο. Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα του σχήματος προκύπτει ότι η θραύση λόγω κόπωσης, για τη μονοστρωματική επικάλυψη πάχους 8μm, ξεκινά σε φορτίο 95 dan, 125 dan και 137 dan για χρόνους κρούσης 0.3, 5 και 10 ms αντίστοιχα. 46

47 Σχήμα 5.4: Έναρξη αστοχίας επικάλυψης για διάφορες περιπτώσεις χρόνου κρούσης για μονοστρωματική επικάλυψη (1x8) Αντίστοιχα προκύπτει και το διάγραμμα του σχήματος 5.5 για κοπτικό πλακίδια με τέσσερεις στρώσεις επικάλυψης πάχους 2μm εκάστοτε(4x2). Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα του σχήματος προκύπτει ότι η θραύση λόγω κόπωσης, ξεκινά σε φορτίο 100 dan, 136 dan και 145 dan για χρόνους κρούσης 0.3, 5 και 10 ms αντίστοιχα. 47

48 Σχήμα 5.5: Έναρξη αστοχίας επικάλυψης για διάφορες περιπτώσεις χρόνου κρούσης για επικάλυψη με τέσσερεις στρώσεις πάχους 2μm(4x2) Παρόμοιες δοκιμές κρούσης διεξήχθησαν για όλα τα κοπτικά πλακίδια της μικροδομημένης επικάλυψης. Όπως φαίνεται στα παραπάνω σχήματα αλλά θα φανεί καλύτερα και στο σχήμα 5.6 οι κρίσιμες δυνάμεις κρούσεις που σχετίζονται με το κριτήριο φθοράς της επικάλυψης είναι συγκριτικά μεγαλύτερες όταν εφαρμόζονται σε κοπτικά πλακίδια με περισσότερες στρώσεις επικάλυψης. Αυτό οφείλετε στο γεγονός ότι όσο περισσότερες στρώσεις επικάλυψης υπάρχουν τόσο δυσκολότερη είναι και η διάδοση της ρωγμής από τη μια στρώση στην επόμενη. Σχήμα 5.6: Κρίσιμη δύναμη κρούσης για διάφορους χρόνους κρούσης και διάφορες στρώσεις επικάλυψης 8μm 48

49 Η φθορά της επικάλυψης λόγω κόπωσης μετά από 10 6 κρούσεις αναπτύσσεται σε χαμηλότερα φορτία δύναμης όσο ο χρόνος κρούσης IT μειώνεται. Αυτό συμβαίνει λόγω του ότι για μικρότερη διάρκεια χρόνου κρούσης παρατηρείται αύξηση της αποδόμησης της επικάλυψης με αποτέλεσμα την ταχύτερη διάδοση των ρωγμών και τελικά αστοχία. Σε αντίθεση με αύξηση του χρόνου κρούσης, το ίδιο βάθος αποτυπώματος αναπτύσσεται σε σχετικά μεγαλύτερες δυνάμεις κρούσης Απόδοση κοπής των εξεταζόμενων μικροδομημένων-κιονοειδών επικαλύψεων. Προκείμενου να διερευνηθεί η επίδραση των μικροδομημένων επικαλύψεων στην απόδοση κοπής των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων, διεξήχθησαν πειράματα αντίρροπου φραιζαρίσματος. Η πειραματική διαδικασία πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια ενός ψηφιακά καθοδηγούμενου κέντρου φραιζαρίσματος τριών αξόνων που βρίσκεται στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας (ΕΕΔΜ). Το χρησιμοποιούμενο σύστημα εργαλείου - τεμαχίου στα πειράματα φραιζαρίσματος απεικονίζεται στο πάνω μέρος του σχήμα 5.7. Το υλικό κατεργασίας ήταν χάλυβας Ck45. Οι συνθήκες κατεργασίας περιγράφονται στο πάνω δεξιά μέρος του σχήματος 5.7. Η κατάσταση της φθοράς του εργαλείου ελέγχθηκε μέσω οπτικού μικροσκοπίου. Η συμπεριφορά φθοράς των επικαλυμμένων πλακιδίων σκληρομετάλλου στο φραιζάρισμα, με διάφορο πλήθος στρώσεων, φαίνεται στο σχήμα 5.7. Το επικαλυμμένο πλακίδιο με 4-στρωματική παρουσιάζει καλύτερη απόδοση κοπής, επιτυγχάνοντας διάρκεια ζωής 312x10 3 κοπές για ένα πλάτος ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας περίπου 0.15 mm. 49

50 Σχήμα 5.7 :Εξέλιξη του πλάτους ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας συναρτήσει του αριθμού κοπών. Το πλακίδιο με τη δυστρωματική επικάλυψη παρουσιάζει τη δεύτερη καλύτερη απόδοση, επιτυγχάνοντας διάρκεια ζωής 268x10 3 κοπές για ένα πλάτος ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας περίπου 0.15 mm. Την χειρότερη απόδοση την έχουμε στη μονοστρωματική επικάλυψη των 8μm καθώς για αριθμό κοπών μόλις 202x10 3 έχουμε πλάτος ζώνης φθοράς 150μm. Στο σχήμα 5.8 δίνονται κάποιες ενδεικτικές φωτογραφίες από οπτικό μικροσκόπιο και για τα τρία είδη επικαλύψεων για φθορά 150μm. 50

51 Σχήμα 5.8 : Φωτογραφίες από οπτικό μικροσκόπιο κοπτικών ακμών, για διάφορες στρώσεις επικάλυψης και φθορά 150 μm. Στο σχήμα 5.9 δίνεται η διάρκεια ζωής μέχρι φθορά 150μm που πετύχαμε με τα εξεταζόμενα πλακίδια για διάφορους χρόνους ανόδου. Ο χρόνος ανόδου μπορεί να προσδιοριστεί σαν το χρόνο που χρειάζεται για να αναπτυχτεί η μέγιστη τάση στην επικάλυψη όπως φαίνεται στο κάτω μέρος του σχήματος 5.9. Στο διάγραμμα του σχήματος 5.7 ο χρόνος ανόδου αντιστοιχεί περίπου στα 0.15ms.Αντίστοιχα πειράματα φραιζαρίσματος πραγματοποιήθηκαν για διάφορους χρόνους ανόδου όπως π.χ. 1.8 ms, 4.5 ms. Η διάρκεια ζωής μέχρι φθορά 150μm, T 0.15 υπολογίζεται όπως φαίνεται και από τη σχέση στο πάνω μέρος του σχήματος 5.9 μέσω του απαραμόρφωτου μήκος αποβλίττου l cu, της ταχύτητας κοπής v c,και τον αριθμό κοπών για φθορά 150μm NC 0.15.Είναι φανερό όπως φαίνεται στο σχήμα 5.9,ότι η 4- στρωματική επικάλυψη έχει τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και η μονοστρωματική έχει την μικρότερη διάρκεια ζωής. Επίσης φαίνεται από το σχήμα ότι όσο μεγαλώνει ο χρόνος ανόδου αυτό αντιστοιχεί σε μια αύξηση της διάρκειας ζωής άρα και βελτίωση της απόδοσης κοπής για όλα τα εξεταζόμενα πλακίδια. 51

52 Σχήμα 5.9 : Διάρκεια ζωής κοπτικών εργαλείων για διάφορο πλήθος στρώσεων επικάλυψης έως πλάτος ζώνης φθοράς VB=150 μm Αυτό που προκαλεί εντύπωση είναι η ποσοστιαία αύξηση της διάρκεια ζωής των πολυστρωματικών επικαλύψεων σε σχέση με τη μονοστρωματική. Ενδεικτικά δίνεται στο σχήμα 5.10 η επί της εκατό αύξηση της διάρκειας ζωής των κοπτικών εργαλείων για το πείραμα του σχήματος 5.7 και με τις συγκεκριμένες συνθήκες που φαίνονται στο πάνω μέρος του σχήματος. Στη περίπτωση της 4-στρωματικής είναι της τάξης του 155% της διάρκειας ζωής της μονοστρωματικής επικάλυψης και η δυστρωματική επικάλυψη είναι της τάξης του 133%. 52

53 Σχήμα 5.10: Ποσοστιαία αύξηση διάρκεια ζωής κοπτικών εργαλείων πολυστρωματικών επικαλύψεων, σε σχέση με μονοστρωματική επικάλυψη Αυτή η βελτίωση στην απόδοση κοπής σχετίζεται άμεσα με την υψηλότερη αντοχή σε κόπωση και την χαμηλότερη ευθραστότητα λόγω της αύξησης των στρώσεων της επικάλυψης. Αυτή η συσχέτιση είναι φανερή και σε χαμηλούς και σε υψηλούς χρόνους ανόδου και παρουσιάζεται στο σχήμα

54 Σχήμα 5.11: Συσχέτιση μεταξύ διάρκεια ζωής και αντοχής σε κόπωση κιονοειδής επικάλυψης Σύμφωνα με τα παραπάνω αποτελέσματα η αύξηση των στρώσεων της επικάλυψης οδηγεί σε βελτίωση της απόδοσης σε κοπή των κοπτικών πλακιδίων. Έτσι λόγω της αυξημένης αντοχής σε κόπωσης και της μείωσης της ευθραυστότητας η έναρξη θραύσης της επικάλυψης απαιτεί μεγαλύτερη συγκέντρωση τάσεων. Τέλος μετά την έναρξη θραύσης της επικάλυψης οι πολλές στρώσεις της επικάλυψης εμποδίζουν την διάδοση της ρωγμής προς το υπόστρωμα όπως έχει ήδη αναφερθεί και παραπάνω. Το συγκεκριμένο φαινόμενο θα φανεί καλύτερα και παρακάτω, στη μελέτη των νανοδομημένων επικαλύψεων. 54

55 Επίσης πραγματοποιήθηκαν πειράματα αντίρροπου φραιζαρίσματος προκείμενου να διερευνηθεί η επίδραση του πάχους επικάλυψης των μικροδομημένων επικαλύψεων στην απόδοση κοπής. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν με κοπτικά πλακίδια με μία στρώση επικάλυψης πάχους 8μm και με μία στρώση επικάλυψης πάχους 2μm. Το υλικό κατεργασίας ήταν επιβελτιωμένος χάλυβας 42CrMo4V. Οι συνθήκες κατεργασίας περιγράφονται στο πάνω δεξιά μέρος του σχήματος Σχήμα 5.12:Εξέλιξη του πλάτους ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας συναρτήσει του αριθμού κοπών για ακτινικό βάθος 50 mm. Το επικαλυμμένο πλακίδιο με πάχος επικάλυψης 8μm παρουσιάζει την καλύτερη απόδοση κοπής, επιτυγχάνοντας διάρκεια ζωής 42x10 3 κοπές για ένα πλάτος ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας περίπου 0.15 mm.το πλακίδιο με πάχος επικάλυψης 2 μm παρουσιάζει τη δεύτερη καλύτερη απόδοση, επιτυγχάνοντας διάρκεια ζωής 20x10 3 κοπές 55

56 6. Μελέτη νανοδομημένης επικάλυψης με τη μέθοδο φυσικής εναπόθεσης μέσω υψηλού παλμικού ιονισμού και αυξημένης ενέργειας HPPMS (High Power Pulsing Magnetron Sputtering) Tο εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας (ΕΕΔΜ) παρέλαβε μια σειρά από κοπτικά πλακίδια με διαφορετικά πάχη νανοδομημένης επικάλυψης. Πιο συγκεκριμένα παραλήφθηκαν 3 σετ κοπτικών εργαλείων που παρήχθησαν με τη μέθοδο φυσικής εναπόθεσης με υψηλό παλμικό ιονισμό και υψηλή ενέργεια H.Ρ.Ρ.Μ.S.Πιο συγκεκριμένα : Κοπτικά πλακίδια με επικάλυψη πάχους 8μm Κοπτικά πλακίδια με επικάλυψη πάχους 4μm Κοπτικά πλακίδια με επικάλυψη πάχους 2μm Για να γίνει κατανοητή η δομή της νανοδομημένης επικάλυψης, π.χ. τα κοπτικά πλακίδια με πάχος επικάλυψης 8μm τα οποία εναποτέθηκαν στο ίδιο υπόστρωμα με τη κιονοειδή επικάλυψη αποτελούνται από συνεχόμενες στρώσεις TiAlN και TiN. Το πάχος της κάθε στρώσης TiAlN, TiN ανέρχεται στα 24 nm και 3 nm αντίστοιχα. Έτσι το τελικό πάχος επικάλυψης των 8μm αποτελείτε από το άθροισμα 300 στρώσεων TiAlN και άλλες 300 στρώσεις TiN. Στο παρακάτω σχήμα 6.1 γίνεται κατανοητή η διαφορά στη δομή της νανοδομημένης επικάλυψης με την κιονοειδής για πάχος επικάλυψης 8 μm. 56

57 Σχήμα 6.1 : Διαφορά κιονοειδής με νανοδομημένη επικάλυψη 57

58 6.1 Καθορισμός του πάχους της νανοδομημένης επικάλυψης Η αποτίμηση του πραγματικού πάχους της επικάλυψης κοντά στην κοπτική ακμή έγινε μέσω δοκιμών κρατεροποίησης όπως ακριβώς έγινε και στη μελέτη της κιονοειδής επικάλυψης. Τα αποτυπώματα της σφαίρας με την οποία γίνονται τα πειράματα κρατεροποίησης, έγιναν πολύ κοντά στις κοπτικές ακμές, προκειμένου να πετύχουμε την ακριβή μορφολογία της περιοχής και να βρούμε το πάχος της επικάλυψης. Η αξιολόγηση του πραγματικού πάχους της επικάλυψης έγινε με μια διαφορετική μέθοδο αυτή τη φορά με τη χρήση οπτικού μικροσκοπίου από το οποίο πήραμε τα αποτυπώματα που φαίνονται παρακάτω στα σχήματα 6.3, 6.4, 6.5 και ο υπολογισμός του πάχους έγινε μέσω της διαδικασίας που φαίνεται στο σχήμα 6.2. Σχήμα 6.2 : Διαδικασία προσδιορισμού πάχους επικάλυψης 58

59 Στα σχήματα που ακολουθούνε φαίνονται τα αποτυπώματα από το οπτικό μικροσκόπιο και ο υπολογισμός του πάχους επικάλυψης για τα κοπτικά πλακίδια με τη μέθοδο που περιγράφηκε παραπάνω Επικάλυψη πάχους 2μm(σε οπτικό μικροσκόπιο) Σχήμα 6.3 : Υπολογισμός πάχους επικάλυψης 2μm Από τον τύπο του σχήματος 6.2 προκύπτει ότι το πάχος επικάλυψης αντιστοιχεί σε 1.85 μm Επικάλυψη πάχους 4μm(σε οπτικό μικροσκόπιο) Σχήμα 6.4 : Υπολογισμός πάχους επικάλυψης 4μm 59

60 Επικάλυψη πάχους 8μm(σε οπτικό μικροσκόπιο) Σχήμα 6.5 : Υπολογισμός πάχους επικάλυψης 8μm 6.2 Υπολογισμός επιφανειακών ιδιοτήτων κοπτικών πλακιδίων νανοδομημένης επικάλυψης Για τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων του υποστρώματος και της επικάλυψης πραγματοποιήθηκαν πειράματα νανοδιείσδυσης σε μέγιστο φορτίο 15 mn. Οι καμπύλες νανοδιείσδυσης των εξεταζόμενων επικαλύψεων παρουσιάζονται στα σχήματα 6.6 έως Στα σχήματα 6.6 μέχρι 6.8 δίνονται τα βάθη διείσδυσης για τις νανοδομημένες επικαλύψεις με πάχος επικάλυψης 2μm, 4μm και 8μm,αντίστοιχα. Παρατηρώντας τις καμπύλες βάθους διείσδυσης η επικάλυψη των 8μm παρουσιάζει το μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης, 165nm, από τις εξεταζόμενες επικαλύψεις. Μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης συνεπάγεται μικρότερη σκληρότητα. Συνεπώς η επικάλυψη με πάχος 8μm παρουσιάζει τη μικρότερη σκληρότητα διείσδυσης ενώ η επικάλυψη των 2 μm τη μεγαλύτερη καθώς το μέγιστο βάθος διείσδυσης φτάνει τα 155 nm. Τα μέγιστα βάθη διείσδυσης για την επικάλυψη 4μm είναι 160 nm. 60

61 Σχήμα 6.6: Καμπύλη νανοδιείσδυσης της εξεταζόμενης επικάλυψης με πάχος 2μm Σχήμα 6.7: Καμπύλη νανοδιείσδυσης της εξεταζόμενης επικάλυψης με πάχος 4μm Σχήμα 6.8: Καμπύλη νανοδιείσδυσης της εξεταζόμενης επικάλυψης με πάχος 8μm 61

62 Όπως φαίνεται στο συγκεντρωτικό σχήμα 6.9 τα μέγιστα βάθη διείσδυσης άρα και οι ιδιότητες είναι πολύ κοντά για τα διαφορετικά πάχη επικάλυψης κάτι το οποίο δεν συνέβαινε στις κιονοειδής επικαλύψεις. Σχήμα 6.9: Μέγιστα βάθη διείσδυσης για όλες τις εξεταζόμενες επικαλύψεις 6.3 Προσδιορισμός αντοχής σε κόπωση νανοδομημένης επικάλυψης Στο σχήμα 6.10 παρουσιάζονται οι καμπύλες όσον αφορά την αντοχή σε κόπωση της νανοδομημένης επικάλυψης πάχους 2μm σχετικά με τα φορτία κρούσης σε διαφορετικούς χρόνους κρούσης t e.η θραύση λόγω κόπωσης της επικάλυψης μετά από κρούσεις ποσοτικοποιήθηκε όπως έχει ήδη αναφερθεί παραπάνω μέσω CFD. Σε όλες τις περιπτώσεις εφαρμόστηκε τριγωνική μορφή σήματος όπως φαίνεται στο πάνω μέρος του σχήματος Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα του σχήματος προκύπτει ότι η θραύση λόγω κόπωσης, για τη επικάλυψη πάχους 2μm, ξεκινά σε φορτίο,125dan, 160 dan και 170 dan για χρόνους κρούσης,0.3, 5 και 10 ms αντίστοιχα. 62

63 Σχήμα 6.10: Έναρξη αστοχίας επικάλυψης για διάφορες περιπτώσεις χρόνου κρούσης για επικάλυψη πάχους 2 μm Αντίστοιχα προκύπτει και το διάγραμμα του σχήματος 6.11 για κοπτικό πλακίδια με επικάλυψη πάχους 4μm. Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα του σχήματος προκύπτει ότι η θραύση λόγω κόπωσης, ξεκινά σε φορτίο, 155 dan και 165 dan για χρόνους κρούσης, 5 και 10 ms αντίστοιχα. 63

64 Σχήμα 6.11: Έναρξη αστοχίας επικάλυψης για διάφορες περιπτώσεις χρόνου κρούσης για επικάλυψη πάχους 4 μm Στο σχήμα 6.12 προκύπτει το διάγραμμα για κοπτικό πλακίδια με επικάλυψη πάχους 8μm. Το βάθος αστοχίας της επικάλυψης CFD στη προκειμένη περίπτωση για επικάλυψη 8μm ανέρχεται σε 0,5μm. Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα του σχήματος προκύπτει ότι η θραύση λόγω κόπωσης, ξεκινά σε φορτίο, 150 dan και 160 dan για χρόνους κρούσης 5 και 10 ms αντίστοιχα. Σχήμα 6.12: Έναρξη αστοχίας επικάλυψης για διάφορες περιπτώσεις χρόνου κρούσης για επικάλυψη πάχους 8 μm Όπως φαίνεται στα παραπάνω σχήματα αλλά θα φανεί καλύτερα και στο σχήμα 6.13 οι κρίσιμες δυνάμεις κρούσεις που σχετίζονται με το κριτήριο φθοράς της επικάλυψης είναι σχεδόν ίδιες για όλα τα εξεταζόμενα κοπτικά πλακίδια με διαφορετικά πάχη επικάλυψης. 64

65 Αυτό οφείλετε στη δομή της επικάλυψης η οποία δεν διαφέρει σημαντικά ανά πάχος επικάλυψης κατι το οποίο φάνηκε και στις επιφανειακές ιδιότητες της επικάλυψης. Σχήμα 6.13: Κρίσιμη δύναμη κρούσης για διάφορους χρόνους κρούσης και διάφορα πάχη επικάλυψης Απόδοση κοπής των εξεταζόμενων νανοδομημένων επικαλύψεων. Προκείμενου να διερευνηθεί η επίδραση των νανοδομημένων επικαλύψεων στην απόδοση κοπής των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων, διεξήχθησαν πειράματα αντίρροπου φραιζαρίσματος όπως ακριβώς και στην περίπτωση κιονοειδών επικαλύψεων. Το υλικό κατεργασίας ήταν επιβελτιωμένος χάλυβας 42CrMo4V. Οι συνθήκες κατεργασίας περιγράφονται στο πάνω δεξιά μέρος του σχήματος 6.14 και αναφέρεται σε ακτινικό βάθος 3mm.Η κατάσταση της φθοράς του εργαλείου ελέγχθηκε μέσω οπτικού μικροσκοπίου. Η συμπεριφορά φθοράς των επικαλυμμένων πλακιδίων σκληρομετάλλου στο φραιζάρισμα, με διάφορα πάχη επικάλυψης, φαίνεται στο σχήμα Το επικαλυμμένο πλακίδιο με πάχος επικάλυψης 8μm παρουσιάζει την καλύτερη απόδοση κοπής, επιτυγχάνοντας διάρκεια ζωής 340x10 3 κοπές για ένα πλάτος ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας περίπου 0.15 mm. 65

66 Σχήμα 6.14 :Εξέλιξη του πλάτους ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας συναρτήσει του αριθμού κοπών για ακτινικό βάθος 3mm. Το πλακίδιο με πάχος επικάλυψης 4 μm παρουσιάζει τη δεύτερη καλύτερη απόδοση, επιτυγχάνοντας διάρκεια ζωής 200x10 3 κοπές για ένα πλάτος ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας περίπου 0.15 mm. Την χειρότερη απόδοση την έχουμε στην επικάλυψη των 2μm καθώς για αριθμό κοπών μόλις 110x10 3 έχουμε πλάτος ζώνης φθοράς 150μm. 66

67 Το ίδιο πείραμα πραγματοποιήθηκε και για άλλες συνθήκες κατεργασίας. Στο σχήμα 6.15 φαίνεται η συμπεριφορά φθοράς για ακτινικό βάθος 50 mm το οποίο αντιστοιχεί σε χρόνο ανόδου 4.5 ms το οποίο θα χρησιμοποιηθεί στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 6.15 :Εξέλιξη του πλάτους ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας συναρτήσει του αριθμού κοπών για ακτινικό βάθος 50 mm. Το επικαλυμμένο πλακίδιο με πάχος επικάλυψης 8μm παρουσιάζει όπως φάνηκε και προηγουμένως την καλύτερη απόδοση κοπής, επιτυγχάνοντας διάρκεια ζωής 75x10 3 κοπές για ένα πλάτος ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας περίπου 0.15 mm. Το πλακίδιο με πάχος επικάλυψης 4 μm παρουσιάζει τη δεύτερη καλύτερη απόδοση, επιτυγχάνοντας διάρκεια ζωής 55x10 3 κοπές. Την χειρότερη απόδοση την έχουμε στην επικάλυψη των 2μm καθώς για αριθμό κοπών μόλις 30x10 3 έχουμε πλάτος ζώνης φθοράς 150μm. 67

68 Στο σχήμα 6.16 δίνεται η διάρκεια ζωής μέχρι φθορά 150μm που πετύχαμε με τα εξεταζόμενα πλακίδια για διάφορους χρόνους ανόδου. Ο χρόνος ανόδου όπως αναφέρθηκε και παραπάνω μπορεί να προσδιοριστεί σαν το χρόνο που χρειάζεται για να αναπτυχτεί η μέγιστη τάση στην επικάλυψη όπως φαίνεται στο πάνω μέρος του σχήματος Είναι φανερό όπως φαίνεται στο σχήμα 6.16, ότι η επικάλυψη 8μm έχει τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και η επικάλυψη 2μm έχει την μικρότερη διάρκεια ζωής. Επίσης φαίνεται από το σχήμα ότι όσο μεγαλώνει ο χρόνος ανόδου αυτό αντιστοιχεί σε μια αύξηση της διάρκειας ζωής άρα και βελτίωση της απόδοσης κοπής για όλα τα εξεταζόμενα πλακίδια. Σχήμα 6.16 : Διάρκεια ζωής κοπτικών εργαλείων για διάφορα πάχη επικάλυψης έως πλάτος ζώνης φθοράς VB=150 μm 68

69 Αυτό που προκαλεί εντύπωση είναι η ποσοστιαία αύξηση της διάρκεια ζωής όσο μεγαλώνει το πάχος επικάλυψης σε σχέση με την επικάλυψη πάχους 2μm. Ενδεικτικά δίνεται στο σχήμα 6.18 η επί της εκατό αύξηση της διάρκειας ζωής των κοπτικών εργαλείων για το πείραμα του σχήματος 6.14 και με τις συγκεκριμένες συνθήκες που φαίνονται στο πάνω μέρος του σχήματος. Στη περίπτωση της επικάλυψης 4μm είναι της τάξης του 180% της διάρκειας ζωής της επικάλυψης πάχους 2μm και η επικάλυψη πάχους 8μm είναι της τάξης του 310% της διάρκειας ζωής της επικάλυψης πάχους 2μm. Σχήμα 6.18 : Ποσοστιαία αύξηση διάρκεια ζωής κοπτικών εργαλείων για διάφορα πάχη επικάλυψης, σε σχέση με επικάλυψη πάχους 2μm 69

70 7. Σύγκριση και συμπεράσματα Οι ανάγκες της σύγχρονης βιομηχανίας κατασκευών για μειωμένο κόστος παραγωγής και υψηλή ποιότητα παραγόμενων προϊόντων, ωθούν την ερεύνα διαρκώς στην παραγωγή νέων βελτιωμένων λεπτών σκληρών επικαλύψεων με τη μέθοδο της φυσικής εναπόθεσης ατμών (PVD). Η διαρκής αυτή εξέλιξη έχει συμβάλει σε μέγιστο βαθμό στη βελτιστοποίηση των συνθηκών κοπής σε κατεργασίες με αφαίρεση υλικού. Πέρα, όμως, από τις καινοτόμες τεχνολογίες εναπόθεσης που έχουν εξελιχθεί με απώτερο σκοπό τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων, την αντοχή τους σε κόπωση και την αύξηση της διάρκειας ζωής τους, ιδιαίτερη προσοχή δίνεται και στην εισαγωγή περισσότερων από μία στρώσης επικάλυψης επί των υποστρωμάτων για αυτο το λόγο δημιουργήθηκαν και οι νανοδομημένες επικαλύψεις. Η παρούσα εργασία πραγματεύτηκε διάφορες μεθόδους για την αύξηση της απόδοσης κατά την κοπή επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων με χρήση περισσότερων από μία στρώσης επικάλυψης, την επίδραση του πάχους επικάλυψης στη συμπεριφορά φθοράς καθώς και τη σύγκριση των κιονοειδών επικαλύψεων με τις νανοδομημένες. Για να ελεγχθεί η αποτελεσματικότητα όλων αυτών των μεθόδων, χρησιμοποιούνται καινοτόμες δοκιμασίες ελέγχου της ποιότητας οι οποίες παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες της επικάλυψης και του υποστρώματος, τη γεωμετρία του επικαλυμμένου εργαλείου και την επιφανειακή τοπομορφία. Με βάση αυτά τα δεδομένα, οι μεμονωμένες διαδικασίες μπορούν να βελτιστοποιηθούν για να βελτιωθεί η διάρκεια ζωής των κοπτικών εργαλείων. Για την αξιολόγηση της χρήσης περισσότερων στρώσεων επικάλυψης, μελετήθηκαν 4 επικαλυμμένα κοπτικά πλακίδια με επικαλύψεις (TI 46 Al 54 )N με μονοστρωματική επικάλυψη 8μm, δυστρωματική επικάλυψη 4μm εκάστοτε, 4-στρωματική επικάλυψη 2μm εκάστοτε καθώς και νανοδομημένη επικάλυψη πάχους 8μm. Στην αρχή υπολογίστηκαν τα πραγματικά πάχη των επικαλύψεων, στη συνέχεια οι επιφανειακές ιδιότητες,στη συνέχεια η αντοχή τους σε κόπωση και τέλος η απόδοση τους σε φραιζάρισμα πάνω σε υλικό κατεργασίας Ck45. Όπως αναφέρθηκε πραγματοποιήθηκαν πειράματα κρούσης για τη μελέτη της αντοχής σε κόπωση των προαναφερθέντων κοπτικών πλακιδίων. Στο σχήμα 7.1 που ακολουθεί φαίνεται η σύγκριση μεταξύ κοπτικών πλακιδίων με κιονοειδή και νανοδομημένη επικάλυψη με συνολικό πάχος επικάλυψης 8μm. 70

71 Σχήμα 7.1: Συγκριτικό διάγραμμα κρίσιμης δύναμης κρούσης για διάφορες δομές σε διάφορους χρόνους κρούσης για πάχος επικάλυψης 8μm Από το σχήμα γίνεται κατανοητό ότι οι κρίσιμες δυνάμεις κρούσεις που σχετίζονται με το κριτήριο φθοράς της επικάλυψης είναι συγκριτικά μεγαλύτερες όταν εφαρμόζονται σε κοπτικά πλακίδια με περισσότερες στρώσεις επικάλυψης. Αυτό οφείλετε στο γεγονός ότι όσο περισσότερες στρώσεις επικάλυψης υπάρχουν τόσο δυσκολότερη είναι και η διάδοση της ρωγμής από τη μια στρώση στην επόμενη. Έτσι για χρόνο κρούσης 5ms π.χ. η θραύση λόγω κόπωσης ξεκινά για την μονοστρωματική επικάλυψη στα 125 daν για την τετραστρωματική στα 136 daν και τέλος για την νανοδομημένη επικάλυψη με τις 300 στρώσεις στα 150 daν 71

72 Αυτή τη συμπεριφορά σε κόπωση των πολυστρωματικών επικαλύψεων την ισχυροποιεί και η απόδοση των κοπτικών εργαλείων στη κοπή. Η φαινομενική δυσκολία στη διάδοση ρωγμής σε πολυστρωματικές επικαλύψεις φαίνεται και στα διαγράμματα διάρκειας ζωήςχρόνου ανόδου του σχήματος 7.2. Η νανοδομημένη επικάλυψη των 300 στρώσεων TiAlN/TiN εμφανίζει τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής όπως αντίστοιχα παρουσιάζει και καλύτερη αντοχή σε κόπωση. Η 4-στρωματική επικάλυψη εμφανίζει την 2 η καλύτερη απόδοση σε κοπή Επίσης η δυστρωματική επικάλυψη έχει καλύτερη μεν απόδοση από ότι η μονοστρωματική επικάλυψη, χειρότερη δε από τη 4-στρωματική. Αυτό επιβεβαιώνει το συμπέρασμα που βγάλαμε από το σχήμα 7.1, ότι δηλαδή η διάδοση ρωγμής σε πολυστρωματική επικάλυψη είναι δυσχερέστερη σε σχέση με μονοστρωματικές, που έχει σαν αποτέλεσμα τη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής των πολυστρωματικών επικαλύψεων Σχήμα 7.2: Συγκριτικό διάγραμμα διάρκεια ζωής κοπτικών εργαλείων για διάφορους χρόνους ανόδου 72

73 Πέρα από τη σύγκριση μικροδομημένων-κιονοειδών επικαλύψεων με νανοδομημένες επικαλύψεις για τη μελέτη των στρώσεων επικάλυψης που παρουσιάστηκε στα 2 προηγούμενα σχήματα αυτό που πρέπει να αναφερθεί είναι το συμπέρασμα που προκύπτει από τη μελέτη των επιφανειακών ιδιοτήτων των 2 επικαλύψεων. Από τα σχήματα 5.1 και 6.9 φαίνεται ότι όσο αυξάνει το πάχος επικάλυψης αυξάνει αντίστοιχα και το βάθος διείσδυσης άρα μικραίνει η σκληρότητα. Αυτό που πρέπει να τονιστεί είναι ότι στις κιονοειδής επικαλύψεις η αύξηση του πάχους οδηγεί σε μεγαλύτερη αύξηση του βάθους διείσδυσης άρα και μείωση της σκληρότητας σε σχέση με τις νανοδομημένες επικαλύψεις στις οποίες η αύξηση αυτή είναι μικρότερη. Αυτό εξηγείτε με το γεγονός ότι οι ιδιότητες των διαφορετικών παχών επικάλυψης στη περίπτωση της νανοδομημένης επικάλυψης είναι σχεδόν ίδιες. Επίσης για τη σύγκριση των επικαλύψεων όσον αφορά την απόδοση σε κοπή πραγματοποιήθηκαν πειράματα αντίρροπου φραιζαρίσματος. Τα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν στο σχήμα 5.12 και σχήμα 6.14, 6.15 για τη κιονοειδή και νανοδομημένη επικάλυψη αντίστοιχα. Στα παρακάτω συγκριτικά διαγράμματα είναι φανερή η διαφορά των δύο επικαλύψεων όσον αφορά την απόδοση σε κοπή. Στο σχήμα 7.3 φαίνεται η σύγκριση στη συμπεριφορά φθοράς των επικαλυμμένων πλακιδίων σκληρομετάλλου στο φραιζάρισμα, για το ίδιο πάχος επικάλυψης 2μm της κιονοειδής(his) με την νανοδομημένη (HPPMS) επικάλυψη για τις συνθήκες κατεργασίας που φαίνονται στο πάνω μέρος του σχήματος. Σχήμα 7.3: Συγκριτικό διάγραμμα εξέλιξης πλάτους ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας συναρτήσει του αριθμού κοπών για διάφορες δομές επικάλυψης πάχους 2μm 73

74 Το επικαλυμμένο πλακίδιο με πάχος επικάλυψης 2μm της κιονοειδής επικάλυψης επιτυγχάνει διάρκεια ζωής 50 x10 3 κοπές για ένα πλάτος ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας περίπου 0.15 mm. Το επικαλυμμένο πλακίδιο της νανοδομημένης επικάλυψης παρουσιάζει για το ίδιο πλάτος ζώνης φθοράς διάρκεια ζωής 110x10 3 κοπές. Έτσι είναι φανερή η αύξηση της απόδοσης κοπής όταν χρησιμοποιείτε κοπτικό πλακίδιο της νανοδομημένης επικάλυψης η οποία όπως φαίνεται στο σχήμα είναι της τάξης του 120%. Επίσης στο σχήμα 7.4 που ακολουθεί γίνεται η ίδια σύγκριση των 2 δομών αλλά αυτή τη φορά για πάχος επικάλυψης 8μm και για διαφορετικές συνθήκες κατεργασίας που φαίνονται στο πάνω μέρος του σχήματος. Σχήμα 7.4: Συγκριτικό διάγραμμα εξέλιξης πλάτους ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας συναρτήσει του αριθμού κοπών για διάφορες δομές επικάλυψης πάχους 8μm Όπως φαίνεται στο σχήμα και σε αυτή τη περίπτωση η νανοδομημένη επικάλυψη παρουσιάζει τη καλύτερη απόδοση σε κοπή. Για αυτές τις συνθήκες κατεργασίας η αύξηση της απόδοσης κοπής της νανοδομημένης επικάλυψης σε σχέση με τη κιονοειδής είναι της τάξης του 78%. 74

75 Προκειμένου να μελετήσουμε την επίδραση του πάχους της επικάλυψης των νανοδομημένων επικαλύψεων στη απόδοση κοπής επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων από σκληρομέταλλο διεξήχθησαν όπως προαναφέρθηκε πειράματα αντίρροπου φραιζαρίσματος. Τα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν στα σχήματα 6.14 έως και δείχνουν την εξέλιξη της φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας ως προς τον αύξοντα αριθμό κοπών για 3 διαφορετικά πάχη PVD επικαλυμμένων πλακιδίων με τη μέθοδο φυσικής εναπόθεσης με υψηλό παλμικό ιονισμό και υψηλή ενέργεια H.Ρ.Ρ.Μ.S Τα πλακίδια με πάχος επικάλυψης 8μm παρουσιάζουν καλύτερη συμπεριφορά στη φθορά σε σχέση με τις άλλες περιπτώσεις πάχους επικάλυψης των 2μm και των 4μm.Σύμφωνα λοιπόν με τα αποτελέσματα των σχημάτων,αύξηση του πάχους επικάλυψης οδηγεί σε καλύτερη συμπεριφορά κατά την κοπή. Διάφοροι υπολογισμοί FEM διαδικασιών διευκρινίζουν τους λόγους για τους οποίους βελτιώνεται η συμπεριφορά κατά την κοπή των παχιών επικαλύψεων Ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει το πεδίο των τάσεων που αναπτύσσονται στη περιοχή της κοπτικής ακμής είναι η ακτίνα καμπυλότητας της κόψης. Αύξηση του πάχους επικάλυψης συνεπάγεται αύξηση της ακτίνας καμπυλότητας η οποία οδηγεί γενικά σε σημαντική βελτίωση της απόδοσης κοπής των κοπτικών εργαλείων. 75

76 Αυτό που προκαλεί εντύπωση είναι η ποσοστιαία αύξηση της διάρκεια ζωής του κοπτκού όσο μεγαλώνει το πάχος επικάλυψης σε σχέση με την επικάλυψη πάχους 4μm αλλά για διαφορετικές συνθήκες κατεργασίας. Από το σχήμα 7.5 που ακολουθεί συμπεραίνουμε ότι για τις συνθήκες κατεργασίας που φαίνονται στο πάνω μέρος του σχήματος δηλαδή για κατεργασία με μικρό μήκος απαραμόρφωτου απόβλιττου άρα και μικρό χρόνο ανόδου (lcu=16, t e =0.15ms) άμα αυξήσουμε το πάχος επικάλυψης από 4μm σε 8μm παρατηρείται μια αύξηση στη διάρκεια ζωής της τάξης του 70% Σχήμα 7,5 : Ποσοστιαία αύξηση διάρκεια ζωής κοπτικών εργαλείων για πάχος επικάλυψης 8μm, σε σχέση με επικάλυψη πάχους 4μm για μικρό μήκος απαραμόρφωτου αποβλίττου 76