ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ

Transcript

1 Α Ρ ΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑ ΛΟΝΙΚ ΗΣ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ PVD ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ ΕΠΙ ΚΟΠΤΙΚΩΝ ΕΡΓΑΛΕΙΩΝ ΣΕ ΕΠΑΝΑΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΗ ΚΡΟΥΣΗ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΑ ΦΟΡΤΙΑ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ. ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΝΙΚΟΛΑΟΥ ΛΙΛΗ ΔΙΠΛ. ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ (Α.Π.Θ) ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ 2010

2

3 Α Ρ ΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑ ΛΟΝΙΚ ΗΣ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΝΙΚΟΛΑΟΥ ΛΙΛΗ ΔΙΠΛ. ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΤΟΥ Α.Π.Θ. Από τη Θεσσαλονίκη ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ PVD ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ ΕΠΙ ΚΟΠΤΙΚΩΝ ΕΡΓΑΛΕΙΩΝ ΣΕ ΕΠΑΝΑΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΗ ΚΡΟΥΣΗ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΑ ΦΟΡΤΙΑ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ. Διδακτορική διατριβή που υποβλήθηκε στο τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, για την απόκτηση του Διδακτορικού Διπλώματος. (Αρ. ΔΔ 26/ΕΕΔΜ) Μέλη της τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής: 1. Κ.-Δ. Μπουζάκης, Καθηγητής, επιβλέπων της διατριβής 2. Σ. Μήτση, Καθηγήτρια, μέλος της συμβουλευτικής επιτροπής 3. Ι. Τσιάφης, Αναπλ. Καθηγητής, μέλος της συμβουλευτικής επιτροπής Λοιπά μέλη της Επταμελούς Εξεταστικής Επιτροπής: 4. Σ. Σκολιανός, Καθηγητής 5. Ε. Ιακώβου, Καθηγητής 6. Κ. Ευσταθίου, Αναπλ. Καθηγητής,και 7. Ν. Μιχαηλίδης, Επίκ. Καθηγητής Ημερομηνία προφορικής εξέτασης: 28 Ιανουαρίου 2010

4 Ελευθερία Νικολάου Λίλη Α.Π.Θ. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ PVD ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ ΕΠΙ ΚΟΠΤΙΚΩΝ ΕΡΓΑΛΕΙΩΝ ΣΕ ΕΠΑΝΑΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΗ ΚΡΟΥΣΗ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΑ ΦΟΡΤΙΑ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ. «Η έγκριση της παρούσης Διδακτορικής Διατριβής από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης δεν υποδηλώνει αποδοχή των γνωμών του συγγραφέως» (Ν. 5343/1932, άρθρο 202, παρ. 2)

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εκπόνηση της παρούσας διατριβής έγινε στα πλαίσια της εργασίας μου ως Επιστημονικού Συνεργάτη στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Με το πέρας της παρούσας εργασίας αισθάνομαι την ανάγκη να ευχαριστήσω πρωτίστως τον καθηγητή μου, διευθυντή του Εργαστηρίου Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας Κ.-Δ. Μπουζάκη, ο οποίος κατά την επίβλεψη της εργασίας μουόλα αυτά τα χρόνια με δίδαξε, με καθοδήγησε και με στήριξε, πετυχαίνοντας την πραγμάτωση αυτής της εργασίας. Επίσης, ευχαριστώ θερμά την Επ. Καθ. Ελένη Παυλίδου του τμήματος Φυσικού, για τη απλόχερη βοήθειά της σε επίπεδο ηλεκτρονικής μικροσκοπίας οποιαδήποτε στιγμή κι αν της ζητήθηκε. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω την Καθ. Μήτση Σεβαστή και τον Επ. Καθ. Ιωάννη Τσιάφη που συνεπικούρησαν στην εργασία αυτή ως μέλη της τριμελούς επιτροπής. Από αυτή τη θέση μου δίνεται για πρώτη φορά η ευκαιρία να ευχαριστήσω τους γονείς μου Νίκο και Κατερίνα για την αμέριστη συμπαράστασή τους σε οτιδήποτε κι αν έκανα όλα αυτά τα χρόνια. Τους αφιερώνω την παρούσα εργασία με όλη μου την αγάπη, μικρό δείγμα της ευγνωμοσύνης μου. Ένα μεγάλο ευχαριστώ οφείλω και στον αδερφό μου Γιάννη για όλα. Φυσικά, θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά και να του αφιερώσω μέρος της παρούσας εργασίας στον σύζυγό μου Γιώργο Ρουσάκη, ο οποίος μου συμπαραστάθηκε, φρόντισε μόνος του την κόρη μας Αναστασία κι έκανε μεγάλη υπομονή όταν τα πολυάριθμα και πολύωρα πειράματά μου απαιτούσαν την παρουσία μου στο εργαστήριο. Για την σημαντική συμβολή τους καθόλη τη διάρκεια της έρευνάς μου θα θελα να ευχαριστήσω τους συναδέρφους μου στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας για την συντροφικότητα και τη βοήθειά τους, όποτε αυτή τους ζητήθηκε. Συγκεκριμένα τον Διπλ. Μηχ. Αναστάσιο Σάμπρη για τη σημαντική του συμβολή κατά τα πρώτα στάδια της διατριβής μου, τον Διπλ. Μηχ. Στέφανο Γεράρδη και την Διπλ. Μηχ. Μαρία Παππά για τη συμπαράστασή τους, τον Δρ. Μηχ. Γεώργιο Σκορδάρη και ιδιαίτερα τον Επικ. Καθ. Ν. Μιχαηλίδη που είχε πάντα διαθέσιμο χρόνο να μου αφιερώσει. Θεσσαλονίκη, Ιανουάριος 2010 Ελευθερία Νικ. Λίλη

6 Στους γονείς μου

7 Πίνακας περιεχομένων Πίνακας συμβόλων και συντομογραφιών. Ι 1. Εισαγωγή 1 2. Στάθμη γνώσεων Λεπτές σκληρές επικαλύψεις σκληρομετάλλων εναποτηθειμένων με τη μέθοδο φυσικής εναπόθεσης ατμών (PVD) Διαδικασία μικροκοκκοβολής Η διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης ως μέθοδος αξιολόγησης της επικάλυψης Σκοπός της εργασίας Πειραματικές διατάξεις Δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης Συσκευή νανοσκληρομέτρησης Δοκιμασία νανοδιείσδυσης (nanoindentation), Αλγόριθμος 16 SSCUBONI Συσκευή προσδιορισμού πάχους επικάλυψης Συσκευή τραχυμέτρησης Συσκευή σκληρομέτρησης Πολυαξονικό κέντρο κατεργασίας (CNC) Περιφερικό φραιζάρισμα Μικροσκόπια Προσομοίωση Μελέτη συμπεριφοράς PVD επικαλύψεων μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης και δοκιμασίας νανοδιείσδυσης Δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Διάταξη δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης Διάταξης θέρμανσης του δοκιμίου Σφαιρικός διεισδυτής Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες

8 7.1 Μελέτη συμπεριφοράς επικάλυψης TiAlN (TINALOX) Μελέτη συμπεριφοράς επικάλυψης TiAlN-SN Μελέτη συμπεριφοράς διστρωματικών επικαλύψεων TiN/TiAlN Μελέτη επικαλύψεων ΤΙΝ και TiAlN Μελέτη συμπεριφοράς επικαλύψεων οικογενείας CrAlN Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Επικαλύψεις οικογενείας TiN Συσχετισμός της φθοράς κατά το φρεζάρισμα με την αντοχή σε επαναλαμβανόμενη κρούση, μέσω υπολογισμών με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων Μελέτη συμπεριφοράς της επικάλυψης TiAlN-SN Διστρωματικές επικαλύψεις TiN/TiAlN Μελέτη συμπεριφοράς επικαλύψεων οικογενείας CrAlN Συμπεριφορά της επικάλυψης, λαμβάνοντας υπόψη το μέγεθος των κόκκων σκληρομετάλλου του υποστρώματος Σύνοψη και συμπεράσματα Βιβλιογραφία Εκτενής περίληψη στα Αγγλικά 114

9 Πίνακας συμβόλων και συντομογραφιών Σύμβολο Περιγραφή συμβόλου Μονάδα b : Πλάτος καμπυλότητας της ακμής του εισβολέα nm ccl : Μήκος επαφής αποβλίττου μm Ε : Μέτρο ελαστικότητας GPa EDX : Μικροφασματικές αναλύσεις με ακτίνες Χ F : Δύναμη νάνο-διείσδυσης mn F c FEM F F kn kt : Κύρια δύναμη κοπής dan : Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων : Εφαπτομενική δύναμη κοπής dan : Δύναμη απώθησης dan FR : Ποσοστό αστοχίας επικάλυψης % h : Βάθος διείσδυσης nm h h cp cu h p HM HIS HIP h max HV : Πάχος αποβλίττου μm : Απαραμόρφωτο πάχος αποβλίττου μm : Εναπομένον βάθος λόγω πλαστικής παραμόρφωσης nm : Σκληρομέταλλο : Εναπόθεση με υψηλό ιονισμό : Εναπόθεση με παλμικό ιονισμό : Μέγιστο βάθος διείσδυσης nm : Σκληρότητα κατά Vickers lc : Μήκος αποκοπής μm Μ : Εφαπτομενικά μέτρα πλαστικότητας GPa ι NC : Αριθμός επιτυχημένων κοπών PVD : Φυσική εναπόθεση ατμών P n P t R R R m t SM SEM S eqv : Ορθή πίεση GPa : Εφαπτομενική πίεση GPa : Ανώτερο όριο αντοχής σε εφελκυσμό GPa : Μέγιστο ύψος μεταξύ κορυφής και κοιλάδας τραχύτητας μm : Μέση απόσταση των κορυφών του προφίλ τραχύτητας μm : Σαρωτικό Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο : Ισοδύναμη τάση κατά von Mises GPa SM : Όριο θραύσης GPa SY : Όριο διαρροής GPa t : Πάχος επικάλυψης μm T d : Θερμοκρασία εναπόθεσης VB : Φθορά επιφάνειας ελευθερίας mm v c : Ταχύτητα κοπής m/min o C

10 α : Γωνία ελευθερίας Σύμβολο Περιγραφή συμβόλου α α xy z : Ακτινικό βάθος κοπής : Αξονικό βάθος κοπής α 0 : Ακτίνα αποτυπώματος mm β i : Βάθος από την επιφάνεια της επικάλυψης nm γ : Γωνία αποβλίττου ε eqv o Μονάδα mm mm : Ισοδύναμη παραμόρφωση κατά von Mises GPa κ : Γωνία τοποθέτησης ρ eff : Ενεργή ακτίνα καμπυλότητας μm o o

11 1. Εισαγωγή 1. Εισαγωγή Οι ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις του σύγχρονου κόσμου, σε συνδυασμό με τη μεγάλη ανταγωνιστικότητα, ωθεί την παγκόσμια βιομηχανία σε συνεχή εγρήγορση και εξέλιξη. Επιδιώκεται ολοένα η αύξηση της ποιότητας με μια προσπάθεια όμως μείωσης του κόστους. Στη βιομηχανία των μορφοποιήσεων, μεγάλο βάρος πέφτει στη μορφοποίηση με αφαίρεση υλικού /3,4/. Η βελτιστοποίηση των στοιχείων μηχανών και των κοπτικών εργαλείων, απασχολεί τις μεγαλύτερες βιομηχανίες και αυτοκινητοβιομηχανίες ειδικότερα. Υπάρχουν αρκετές μέθοδοι επιφανειακής επιβελτίωσης με επικρατέστερη αυτή των επικαλύψεων, καθιστώντας έτσι την τεχνολογία των λεπτών σκληρών επικαλύψεων ιδιαίτερα σημαντική. Με τον όρο επικάλυψη, εννοούνται λεπτά υμένια της τάξεως μερικών μικρομέτρων, τα οποία εναποθέτονται στην επιφάνεια κοπτικών εργαλείων, βελτιώνοντας την απόδοσή τους. Από τις δημοφιλέστερες μεθόδους παραγωγής επικαλύψεων για εφαρμογές στον τομέα των επικαλύψεων, είναι η μέθοδος της χημικής εναπόθεσης ατμών, και αυτή της φυσικής εναπόθεσης ατμών /3/. Η βασική διαφορά των δύο μεθόδων έγκειται στην θερμοκρασία εναπόθεσης. Η σύσταση των επικαλύψεων ποικίλει. Οι επικαλύψεις που βασίζονται στο Ti, όπως για παράδειγμα οι (Ti,Al)N, TiN, TiC είναι ιδιαίτερα δημοφιλείς. Χαρακτηρίζονται από αυξημένη σκληρότητα, πολύ καλή συνάφεια, χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και αντίσταση στην οξείδωση και καλές αντιτριβολογικές ιδιότητες. Πέρα όμως από την επιλογή των υλικών, το πάχος και τον τρόπο εναπόθεσης της επικάλυψης, η βιομηχανία των επικαλύψεων έχει πάρα πολλούς παράγοντες οι οποίοι χρήζουν συνεχούς βελτίωσης. Πριν ακόμα από την εναπόθεση, μια σειρά από μεθοδολογίες για την προετοιμασία του υποστρώματος έχουν εξελιχθεί, προκειμένου να υπάρξει καλύτερη συνάφεια υποστρώματος και επικάλυψης. Η απόδοση επίσης, εξαρτάται και από τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των κοπτικών πλακιδίων, αφού η ακτίνα καμπυλότητας επιδρά σημαντικά στη διάρκεια ζωής τους. Πειραματικές διατάξεις έχουν εξελιχθεί, όπως και ειδικά προσομοιωτικά προγράμματα πεπερασμένων στοιχείων, προκειμένου να μελετηθούν οι επικαλύψεις και να προσδιοριστούν οι ιδιότητές τους. Η διερεύνηση τεχνολογικών παραμέτρων που συμβάλουν στη καλή συμπεριφορά φθοράς των κοπτικών εργαλείων είναι επιτακτική. Οι διαδικασίες που εφαρμόζονταν στο παρελθόν αποσκοπούσαν κυρίως στον προσδιορισμό των ελαστικών ιδιοτήτων των υλικών /42,65,83,84,91/, του ορίου διαρροής τους καθώς και της σκληρότητάς τους /16,63,64,96,104,/. Σήμερα, μία ολοκληρωμένη μελέτη επικάλυψης, ώστε να διεξαχθούν εμπεριστατωμένα συμπεράσματα σχετικά με την ποιότητά της αποτελείται από τη διαδικασία νανοδιείσδυσης, διαδικασία εισβολής, τραχυμέτρηση, προσδιορισμό του πάχους της επικάλυψης με ειδική διάταξη, διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης, και μία πληθώρα προσομοιωτικών μοντέλων προκειμένου να προκύψουν θεωρητικά στοιχεία που αντιπαρατίθονται με τα πειραματικά /3/. Από τη μελέτη αυτή 1

12 1. Εισαγωγή προσδιορίζονται οι μηχανικές ιδιότητες των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων, απαραίτητη γνώση για την επιλογή του κατάλληλου κοπτικού εργαλείου και των συνθηκών κοπής. Τα τελευταία χρόνια έχει εξελιχθεί ιδιαίτερα το δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης, ως διαδικασία ελέγχου της επικάλυψης σχετικά με την αντοχή σε κόπωση. ενώ ταυτόχρονα προβλέπεται η συμπεριφορά φθοράς κατά την κοπή /6/. Ένα ακόμα πεδίο το οποίο καλύπτεται από τα αποτελέσματα της επαναλαμβανόμενης κρούσης είναι η συμπεριφορά των επικαλύψεων σε ερπυσμό /28/. Τα μέχρι σήμερα διεξαχθέντα πειράματα, έλαβαν χώρα σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος. Για να ερευνηθούν ιδιότητες των επικαλύψεων σε υψηλές θερμοκρασίες στην παρούσα εργασία θα παρουσιαστεί το δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης για πειράματα σε υψηλές θερμοκρασίες και για διάφορες φορτίσεις. Έτσι θα δοθεί η ευκαιρία να συσχετιστούν με τα αποτελέσματα της κοπής για διάφορες ταχύτητες και να προκύψουν αντιστοιχίες ανάμεσα στην ταχύτητα κοπής και την αντοχή σε κρούση σε υψηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, πειραματικά σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, για αυξανόμενο αριθμό κρούσεων και για διάφορα φορτία, θα μελετηθεί η εξέλιξη της φθοράς και οι μηχανισμοί που οδηγούν σε αυτή. Για το σκοπό αυτό τα αποτυπώματα της επαναλαμβανόμενης κρούσης θα επιβληθούν σε διαδικασία νανοδιείσδυσης και με τη βοήθεια αλλεπάλληλων υπολογιστικών μεθόδων θα επιδιωχθεί ο προσδιορισμός σχετικών ιδιοτήτων. 2

13 2. Στάθμη γνώσεων 2. Στάθμη γνώσεων Τα σκληρομέταλλα είναι ευρέως διαδεδομένα στη βιομηχανία και αποτελούν τα κατεξοχήν υλικά για κοπτικά εργαλεία στην πλειονότητα των κατεργασιών μορφοποίησης με αφαίρεση υλικού. Συχνά συναντώνται διάφορα εργαλεία από ανθρακούχο χάλυβα ή ταχυχάλυβες, αλλά η απόδοσή τους σε σχέση με τα σκληρομέταλλα είναι αισθητά χαμηλότερη. Οι απαιτήσεις όμως για ποιότητα και οικονομία στις διαδικασίες μορφοποιήσεων, έχουν αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια, ωθώντας τη βιομηχανία στην εξέλιξη νέων μεθόδων επιβελτίωσης των κοπτικών εργαλείων. Η πιο διαδεδομένη και δημοφιλής μέθοδος επιβελτίωσης αυτών, είναι η εναπόθεση λεπτών σκληρών επικαλύψεων και γι αυτό το λόγο εκδηλώνεται τόσο μεγάλο ενδιαφέρον γύρω από την τεχνολογία των λεπτών σκληρών επικαλύψεων και ιδιαίτερα όσων παράγονται με τη μέθοδο της φυσικής εναπόθεσης Ατμών (PVD). Για να επιτευχθεί βέβαια η βέλτιστη συμπεριφορά μιας επικάλυψης συντρέχουν διάφοροι παράγοντες. Η ανάγκη λοιπόν για γνώση και αξιολόγηση των επικαλύψεων έχει οδηγήσει στην εξέλιξη διαδικασιών για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων των επικαλύψεων. 2.1 Λεπτές σκληρές επικαλύψεις σκληρομετάλλων εναποτιθέμενες με τη μέθοδο φυσικής εναπόθεσης ατμών (PVD) Το υψηλό κόστος των κοπτικών εργαλείων σε συνδυασμό με την σύντομη φθορά τους καθιστά αναγκαία και επιτακτική την ανάγκη προφύλαξης και βελτίωσής τους. Στη βιομηχανία εφαρμόζονται πλήθος διεργασιών ενίσχυσης της υπάρχουσας επιφάνειας. Η πιο διαδεδομένη όμως μέθοδος βελτίωσης των υλικών είναι η επικάλυψή τους με άλλα υλικά υψηλής αντοχής. Οι υψηλές αντιτριβολογικές ιδιότητες που προσδίδουν στη δϊεπιφάνεια εργαλείου-κατεργαζόμενου τεμαχίου, καθώς επίσης και η αντοχή τους σε φθορά επιτρέπουν την μακρά χρήση των κοπτικών, ενώ οι ταχύτητες κοπής που επιτυγχάνονται σε διάφορες κατεργασίες αφαίρεσης υλικού είναι σημαντικά μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες ενός μη επικαλυμμένου πλακιδίου. Επιπλέον, η ποιότητα της κατεργαζόμενης επιφάνειας είναι αισθητά ανώτερη, παράμετρος ιδιαίτερα σημαντική στην βιομηχανία, αφού μειώνονται οι περεταίρω διεργασίες φινιρίσματος. Το πάχος των επικαλύψεων είναι της τάξεως μερικών μικρομέτρων και κυμαίνεται συνήθως από 3 έως 10 μικρά. Οι εσωτερικές τάσεις που αναπτύσσονται στην επικάλυψη επηρεάζονται από την προοδευτική αύξηση του πάχους της. Ένας σημαντικός παράγοντας που αποτρέπει τις βιομηχανίες από τη χρήση κοπτικών εργαλείων μεγάλου πάχους επικάλυψης είναι το αυξημένο κόστος εναπόθεσης αυτής. Το σχήμα (τρίγωνο, τετράγωνο, ρόμβος κτλ), οι γωνίες ελευθερίας και αποβλίττου, οι ανοχές κατασκευής του κοπτικού εργαλείου παίζουν σημαντικό ρόλο κατά την κατεργασία, τόσο στο κατεργαζόμενο τεμάχιο, όσο και στην αντοχή του κοπτικού /11,45/. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν κατά κανόνα πλακίδια τετραγωνικής διατομής μικρού πάχους. Στο σχήμα 2.1 φαίνεται ένα χαρακτηριστικό 3

14 2. Στάθμη γνώσεων παράδειγμα κοπτικού εργαλείου, καθώς και οι παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση κοπής του. Σχήμα 2.1: Παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση κοπής επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων. Μέθοδοι παραγωγής λεπτών σκληρών επικαλύψεων Οι διεργασίες λεπτών σκληρών επικαλύψεων εργαλείων ταξινομούνται γενικά σε δύο μεγάλες κατηγορίες. Η πρώτη κατηγορία, που άρχισε να αναπτύσσεται την δεκαετία του 1960, περιλαμβάνει διεργασίες κατά τις οποίες το υλικό της στιβάδας δημιουργείται σε υψηλές θερμοκρασίες μέσω χημικών αντιδράσεων και στην συνέχεια, υπό μορφή ατμών συμπυκνώνεται σε επιφάνειες μικρότερης θερμοκρασίας (CVD, Chemical Vapour Deposition Χημική εναπόθεση ατμών). Στην δεύτερη κατηγορία υπάγονται οι διεργασίες κατά τις οποίες το υλικό της επικάλυψης μετατρέπεται σε πλάσμα, μια κατάσταση της ύλης, όπου μπορούν να συνυπάρξουν, ανάλογα με την διεργασία, ηλεκτρόνια, άτομα, ιόντα και μόρια μαζί, επίσης υπό μορφή ατμών. Οι ατμοί αυτοί, καθοδηγούνται μέσω ισχυρών ηλεκτρομαγνητικών πεδίων και εναποτίθενται μέσω φυσικής συμπύκνωσης επί των επιφανειών τεμαχίων (Physical Vapour Deposition, Φυσική εναπόθεση ατμών) /88,91,98/. Οι τυπικές θερμοκρασίες και πιέσεις κατά την διεξαγωγή των παραπάνω μεθόδων εμφανίζονται στο σχήμα 2.2 /3/. Οι πρώτες CVD επικαλύψεις ελάμβαναν χώρα σε υψηλές, άνω των 1000 o C θερμοκρασίες, και σε πίεση λίγο χαμηλότερη από την ατμοσφαιρική, για λόγους 4

15 2. Στάθμη γνώσεων Σχήμα 2.2: Μέθοδοι παραγωγής λεπτών σκληρών επικαλύψεων και τυπικές πιέσεις και θερμοκρασίες κατά την διεξαγωγή τους. κυκλοφορίας των ατμών κατά την διεργασία. Στα μειονεκτήματα της μεθόδου αυτής συγκαταλέγονται ο περιορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων των υποστρωμάτων από σκληρομέταλλο λόγω της παραμονής τους και για μακρό χρονικό διάστημα σε υψηλές θερμοκρασίες. Επίσης οι CVD διαδικασίες δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επικάλυψη μη ευσταθών υλικών σε υψηλές θερμοκρασίες, όπως οι ταχυχάλυβες. Ο περιορισμός της θερμοκρασίας, στην περιοχή των 800 o C (MTCVD), περιόρισε το πρόβλημα του αρνητικού επηρεασμού των μηχανικών ιδιοτήτων του σκληρομετάλλου, το οποίο εγίνετο αντιληπτό, μέσω του περιορισμού της διάρκειας ζωής των εργαλείων, σε κατεργασίες με εναλλασσόμενα φορτία, όπως τα φραιζαρίσματα. Η ανάπτυξη των PVD διαδικασιών, έδωσε ισχυρή ώθηση στις επικαλύψεις των κοπτικών εργαλείων. Οι PVD διεργασίες διεξάγονται σε χαμηλή πίεση, περίπου 10-1 Pa και θερμοκρασία μικρότερη των 600 o C, δυναμένη να περιορισθεί υπό προϋποθέσεις, μέχρι θερμοκρασία περιβάλλοντος. Οι συνθήκες αυτές είναι κατάλληλες για την επικάλυψη πρακτικά όλων των μεταλλικών και μη υλικών. 5

16 2. Στάθμη γνώσεων Μεθοδολογίες ελέγχου ιδιοτήτων επικαλύψεων Οι επικαλύψεις των κοπτικών εργαλείων, έχουν τη γεωμετρία μεμβρανών πάχους μερικών μικρομέτρων. Ο προσδιορισμός των διαφόρων μηχανικών και λειτουργικών ιδιοτήτων τους, απαιτεί την εφαρμογή εξειδικευμένων μεθόδων. Οι ιδιότητες των επικαλύψεων μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.3 /3/. Σχήμα 2.3: Μεθοδολογίες ελέγχου ιδιοτήτων υλικού, διαστάσεων και λειτουργικών μεγεθών επικαλύψεων. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν οι διάφορες ιδιότητες του υλικού σχετικές με την κρυσταλλοδομή τους, τις εσωτερικές τάσεις, την σκληρότητά τους, την ελαστικοπλαστική συμπεριφορά τους και τους μηχανισμούς κόπωσης. Στην δεύτερη 6

17 2. Στάθμη γνώσεων κατηγορία συγκαταλέγονται οι λειτουργικές ιδιότητες των επικαλύψεων, δηλαδή αυτές που προϋποθέτουν την επενέργεια άλλων υλικών ή φορτίσεων, όπως η τριβή, η συνάφεια, η αντίσταση διάχυσης σε διάφορα υλικά με τα οποία έρχονται σε επαφή, καθώς και η χημική ευστάθειά τους έναντι οξείδωσης και χημικής αντίστασης με άλλα στοιχεία. Οι μέθοδοι ποσοτικής ή ποιοτικής αξιολόγησης των ιδιοτήτων αυτών, αναφέρονται στο σχήμα. Κρυσταλλοδομή PVD επικαλύψεων Ένα τυπικό υλικό επικάλυψης είναι το νιτρίδιο του κρυσταλλικού συστήματος τιτανίου-αλουμινίου, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.4. Σχήμα 2.4: Κιονοειδής κρυσταλλοδομή PVD επικάλυψης και μεγέθη κόκκων για διάφορα πάχη τους. Τα άτομα του αλουμινίου κατά την φυσική εναπόθεση ατμών (PVD) καταλαμβάνουν κενές θέσεις στο πλέγμα του τιτανίου, δημιουργουμένων κρυσταλλικών δομών μεγάλης πυκνότητας. Τα άτομα του αζώτου, λόγω του μικρού όγκου τους, παρεμβάλλονται σε ενδιάμεσες θέσεις του πλέγματος του τιτανίου και αλουμινίου, αυξάνοντας περαιτέρω την πυκνότητα. Τοιουτοτρόπως, κατά την εναπόθεση δομούνται στιβάδες μικρού πάχους, μερικών μικρομέτρων, με εξαιρετικά υψηλές σκληρότητες και μηχανικές ιδιότητες. Χαρακτηριστική δομή επικαλύψεων, μικρών ενεργειών ιονισμού πλάσματος κατά την φυσική εναπόθεση ατμών, είναι η κιονοειδής, που παρουσιάζεται στο σχήμα. Λόγω αυτής της δομής, στην επιφάνεια της 7

18 2. Στάθμη γνώσεων επικάλυψης απαντώνται μεγαλύτεροι κόκκοι (τομή ΒΒ), σε σχέση με μια ενδιάμεση επιφάνεια, π.χ. επί της τομής ΑΑ. 2.2 Διαδικασία μικροκοκκοβολής Πέρα από την επιλογή των υλικών, για την επίτευξη υψηλής ποιότητας επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων απαιτείται επιφανειακή επεξεργασία του υποστρώματος, η οποία προηγείται της εναπόθεσης. Η μικροκοκκοβολή αποτελεί την πλέον διαδεδομένη διαδικασία προετοιμασίας της επιφάνειας των σκληρομετάλλων πριν από την εναπόθεση της επικάλυψης. Με την μικροκοκκοβολή εξομαλύνονται οι τραχύτητες που υπάρχουν και απομακρύνεται το σχετικά χαμηλής σκληρότητας συνδετικό υλικό, το κοβάλτιο (Co) από την επιφάνεια που προορίζεται για επικάλυψη /101,102,103/. Το κοβάλτιο σε σύγκριση με τα άλλα στοιχεία του σκληρομετάλλου είναι πιο μαλακό. Έτσι, κατά την απομάκρυνση του, συμπαρασύρονται κι άλλα στοιχεία καρβιδίων με τραχιές, μεγάλες ακμές. Αποτέλεσμα είναι μία επιφάνεια στην οποία εξέχουν μικρές ακμές και κατά την εναπόθεση της επικάλυψης να επιτυγχάνεται ισχυρότερη μηχανική σύνδεση, επομένως καλύτερη συνάφεια μεταξύ επικάλυψης και υποστρώματος/38,39/. Στο σχήμα 2.5 παρουσιάζεται μία σχηματική απεικόνιση της επιφάνειας του σκληρομετάλλου πριν και μετά την μικροκοκκοβολή. Σχήμα 2.5 : Επίδραση της μικροκοκκοβολής σε υπόστρωμα σκληρομετάλλου, για την επίτευξη βέλτιστης συνάφειας μέσω της δημιουργίας ευνοϊκής τοπομορφίας υποστρώματος. Οι πιο διαδεδομένες επιφανειακές κατεργασίες υποστρώματος είναι η μικροκοκκοβολή σε χαμηλή πίεση (mb1), η μικροκοκκοβολή σε υψηλή πίεση (mb2), η στίλβωση (p), καθώς και ο συνδυασμός μικροκοκκοβολής σε χαμηλή και υψηλή πίεση με υαλοκοκκοβολή σε χαμηλή πίεση (gb). Το στιλβωμένο υπόστρωμα εξαιτίας της μεγάλης απόστασης μεταξύ των κορυφών τραχύτητας και της προκαλυμμένης μείωσης του αριθμού των κορυφών τραχύτητας, έχει χειρότερη συνάφεια σε σχέση με αυτό που έχει υποστεί μικροκοκκοβολή /7,38,39/. Πέρα από τη διαδικασία μικροκοκκοβολής όμως, η οποία κατέχει σημαντικό ρόλο στην συνάφεια επικάλυψηςυποστρώματος, δημιουργείται ένα ερώτημα αν και το μέγεθος των κόκκων του υποστρώματος ενισχύει τη συμπεριφορά της επικάλυψης. 8

19 2. Στάθμη γνώσεων 2.3 Η διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης ως μέθοδος αξιολόγησης της επικάλυψης Η γνώση της εξέλιξης της φθοράς μιας επικάλυψης παίζει πολύ σημαντικό ρόλο στην επιλογή του κοπτικού εργαλείου. Είναι λοιπόν ιδιαίτερα σημαντικός ο έγκυρος και όσο το δυνατόν μη χρονοβόρος προσδιορισμός των ιδιοτήτων των διαφόρων επικαλύψεων. Σε προηγούμενες εργασίες /1,8,10,12/ έχουν μελετηθεί πολλές περιπτώσεις επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων. Στις εργασίες αυτές χρησιμοποιήθηκε το δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων των επικαλύψεων και έπειτα από συγκρίσεις των αποτελεσμάτων με τα αντίστοιχα που προέκυψαν από κοπές και διαδικασίες πεπερασμένων στοιχείων, αποδείχθηκε η διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης ως κατάλληλη για τον υπολογισμό της εξέλιξης της φθοράς μίας επικάλυψης /8,11,18,30,37,44,/. Μέχρι τώρα όμως οι δοκιμασίες κρούσης λάμβαναν χώρα σε θερμοκρασίες δωματίου. Δεδομένου ότι κατά την κοπή αναπτύσσονται μεγάλες θερμοκρασίες, είναι ιδιαίτερου ενδιαφέροντος η γνώση του πώς εξελίσσεται η φθορά κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες. Οι συνεχείς προσπάθειες για την αύξηση της διάρκειας ζωής των κοπτικών εργαλείων, οδήγησε στην εναπόθεση πολλών στρωμάτων επικαλύψεων ίδιου ή διαφορετικού πάχους. Με τις πολυστρωματικές επικαλύψεις, συνήθως επιτυγχάνεται ισχυρή συνάφεια μεταξύ επικάλυψης και υποστρώματος, αύξηση της σκληρότητας και της ανθεκτικότητας της επικάλυψης /88/. Όπως μελετήθηκε εκτενώς στην /17/, μετά την έναρξη της αστοχίας της επικάλυψης, η εξέλιξή της είναι λιγότερο έντονη για μία πολυστρωματική επικάλυψη σε σχέση με την μονοστρωματική που η πρώτη αστοχία εξελίσσεται πολύ γρήγορα. Πώς συμπεριφέρονται όμως οι πολυστρωματικές επικαλύψεις κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες, καθώς και αν είναι το ίδιο εμφανής η υπερίσχυσή τους σε σχέση με τις μονοστρωματικές επικαλύψεις είναι ερωτήματα που χρειάζονται απαντήσεις. Όπως εξηγείται αναλυτικά στην /33/, αύξηση της σκληρότητας οδηγεί επίσης σε βελτίωση της απόδοσης κατά την κοπή. Κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης όμως, στο αποτύπωμα που δημιουργείται, πώς διαμορφώνεται η σκληρότητα, πώς επηρεάζει αυτή και τι συμβαίνει ταυτόχρονα με τις εσωτερικές τάσεις της επικάλυψης; Παρουσιάζεται η ανάγκη να απαντηθούν τα προηγούμενα ερωτήματα καθώς κι άλλα πολλά όπως το πώς κατανέμεται η σκληρότητα σε όλη την επιφάνεια του αποτυπώματος, αν είναι παντού η ίδια και κατά πόσο η συνεχής σημειακή παροχή μηχανική ενέργειας κατά την δοκιμασία κρούσης συμβάλει στην μεταβολή των ιδιοτήτων της επικάλυψης και κατ επέκταση στην αστοχία του υλικού. 9

20 3. Σκοπός Εργασίας 3. Σκοπός της εργασίας Μία από τις πρωταρχικές ανάγκες της βιομηχανίας μηχανολογικών εξαρτημάτων και κοπτικών εργαλείων, είναι η βελτίωση των επικαλύψεών τους. Η εφαρμογή κατάλληλων λεπτών σκληρών επικαλύψεων στα στοιχεία μηχανών, κοπτικά εργαλεία κτλ. αυξάνει σημαντικά την απόδοσή τους, επιμηκύνοντας ταυτόχρονα τη διάρκεια ζωής. Επιτυγχάνεται λοιπόν ταυτόχρονα ποιότητα και μείωση του κόστους. Προκειμένου όμως να γίνει γνωστό τι συμβαίνει σχετικά με τις φορτίσεις των επικαλύψεων στο εσωτερικό τους, είναι αναγκαίο να προσδιοριστούν οι μεταβολές των εσωτερικών τάσεων μετά από διάφορες μηχανικές ή θερμικές κατεργασίες. Η δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης εφαρμόζεται ως μια κατάλληλη μέθοδος για τον χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων σε κόπωση των επικαλύψεων /10,11,18,30,44,/. Επιπλέον, οι τρόποι αστοχίας της επικάλυψης λόγω συνάφειας και συνοχής μπορούν να διευκρινιστούν μέσω της παραπάνω δοκιμής καθώς και η συμπεριφορά σε ερπυσμό των επικαλύψεων ψεκασμού πλάσματος /29,19/. Σε πολλές μέχρι τώρα εργασίες έχει αποδειχθεί ο συσχετισμός της απόδοσης κοπής επικαλύψεων με την αντοχή τους στη διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης /8,10,12/. Όλες όμως οι μέχρι τώρα διεξαχθέντες εργασίες, έχουν λάβει χώρα σε θερμοκρασία δωματίου. Διαπιστώθηκε ότι δεν έχει γίνει καμία έρευνα σχετικά με το τι συμβαίνει στις υψηλές θερμοκρασίες που αναπτύσσονται κατά την κοπή. Προέκυψε λοιπόν η ανάγκη εξέλιξης στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας ΕΕΔΜ, του δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης, ώστε να πραγματοποιηθούν δοκιμές σε υψηλές θερμοκρασίες. Προκειμένου να προκύψουν εμπεριστατωμένα συμπεράσματα για τη συμπεριφορά των επικαλύψεων κατά τη θέρμανσή τους, θα διεξαχθεί ένας πολύ μεγάλος αριθμός πειραμάτων σε πολλές και διαφορετικές επικαλύψεις, για διάφορες θερμοκρασίες μέχρι 600 o C και για διάφορα φορτία. Η μελέτη και τα αποτελέσματα θα παρουσιαστούν εκτενώς σε επόμενο κεφάλαιο. Κατά τη μελέτη των επικαλύψεων σε υψηλές θερμοκρασίες και παρατηρώντας την, σχεδόν σε όλες τις ομάδες, πανομοιότυπη επίδραση της θερμοκρασίας στην φθορά της επικάλυψης, προέκυψαν διάφοροι προβληματισμοί. Η θερμοκρασία σίγουρα επηρεάζει τη συμπεριφορά των επικαλύψεων καθώς τα άτομα αυτών λαμβάνουν ενέργεια και οι αταξίες κινούνται αλλάζοντας διαρκώς κατάσταση. Ένα σημαντικό ερώτημα όμως που παρουσιάστηκε, είναι κατά πόσο η ίδια η δοκιμή της κρούσης, καθώς προσφέρει σημειακά μηχανική ενέργεια συμβάλει στην μεταβολή των ιδιοτήτων της επικάλυψης. Στα πλαίσια λοιπόν της παρούσας εργασίας θα πραγματοποιηθεί μελέτη μηχανισμού αστοχίας της επικάλυψης. Βασική σκέψη ήταν να φανεί κατά πόσο επηρεάζονται οι ιδιότητες της επικάλυψης από τη δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης. Επικάλυψη TiAlN-SN 2 λοιπόν, θα υποβληθεί σε δοκιμή κρούσης για διάφορες δυνάμεις και διαφορετικό αριθμό κρούσεων. Στη συνέχεια, μέσω της διαδικασίας νανοδιείσδυσης και κατάλληλου προσομοιωτικού μοντέλου θα προσδιοριστούν οι ιδιότητες της επικάλυψης τόσο πριν την κρούση, όσο 10

21 3. Σκοπός Εργασίας και μετά από αυτήν, πραγματοποιώντας μετρήσεις στην περιοχή των αποτυπωμάτων. Οι εσωτερικές τάσεις επηρεάζουν άμεσα τις μηχανικές ιδιότητες της επικάλυψης και κατ επέκταση τη συμπεριφορά στη φθορά των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων /11,55,82,87/Η γνώση των εσωτερικών τάσεων των λεπτών σκληρών PVD επικαλύψεων χρίζει ιδιαίτερης σημασίας, γι αυτό θα γίνει μία προσπάθεια προσδιορισμού τους. Γνωρίζοντας όμως τη σπουδαιότητα των επικαλύψεων για τη βιομηχανία και το ρόλο που κατέχουν σε όλες σχεδόν τις κατεργασίες, κρίθηκε απαραίτητο να εξετασθεί το τι συμβαίνει σε πραγματικές κοπές και κατά πόσο μπορεί η διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης να οδηγήσει σε ορθά συμπεράσματα για τις επικαλύψεις. Τα πειραματικά λοιπόν αποτελέσματα που θα προκύψουν από τη δοκιμή σε κρούση, θα συγκριθούν με τα αποτελέσματα των κοπών για τις αντίστοιχες επικαλύψεις, τα οποία πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας. Ταυτόχρονα μέσω προγραμμάτων προσομοίωσης θα γίνουν θεωρητικοί προσδιορισμοί των θερμοκρασιακών πεδίων στην περιοχή της κοπής, και μία αντιπαράθεση των θερμοκρασιών της επαναλαμβανόμενης κρούσης με τις θερμοκρασίες που αναπτύσσονται κατά την κοπή. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας επιδιώκεται η κοινή μελέτη και ο συσχετισμός των αποτελεσμάτων θεωρητικών και πειραματικών να αναδείξουν τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες ως μία κατάλληλη και αποδοτική μεθοδολογία για τον χαρακτηρισμό της απόδοσης κοπής των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων. Τέλος, η παρούσα διατριβή θα ασχοληθεί με τη συμπεριφορά της επικάλυψης σε σχέση με το υπόστρωμα στο οποίο εναποτίθεται. Από τη στάθμη γνώσεων έχει υπογραμμισθεί η σπουδαιότητα του υποστρώματος στη συμπεριφορά της επικάλυψης. Θα γίνει μία προσπάθεια λοιπόν να προσδιοριστεί η επίδραση του υποστρώματος στην συμπεριφορά της επικάλυψης. Συγκεκριμένα θα μελετηθεί η επικάλυψη TiAlN η οποία εναποτέθηκε σε δύο διαφορετικά υποστρώματα. Η διαφορά των δύο υποστρωμάτων εντοπίζεται στο μέγεθος των κόκκων του σκληρομετάλλου. Το ένα υπόστρωμα αποτελείτο από κόκκους των οποίων το μέγεθος κυμαινόταν ανάμεσα σε μm, ενώ στο άλλο οι κόκκοι είχαν μέγεθος μm. 11

22 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκαν πλήθος πειραμάτων για την πραγμάτωση των οποίων χρειάστηκαν εξειδικευμένες μηχανές και μικροσκόπια. Ο μεγαλύτερος όγκος των χρησιμοποιούμενων διατάξεων βρίσκεται στο χώρο του Εργαστηρίου Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας ΕΕΔΜ. Παρακάτω παρουσιάζονται όλες οι πειραματικές διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν και γίνεται εκτενής αναφορά στα τεχνικά χαρακτηριστικά και στον τρόπο λειτουργίας τους. 4.1 Δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης Ο κύριος όγκος πειραμάτων της παρούσας εργασίας προκειμένου να χαρακτηριστούν οι ιδιότητες κόπωσης των επικαλύψεων και να προσδιοριστεί η εξέλιξη της φθοράς τους, πραγματοποιήθηκε στο δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες. Πρόκειται για μία ειδική διάταξη, η οποία εξελίχθηκε για τον σκοπό αυτό από το Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας ΕΕΔΜ του Α.Π.Θ. σε συνεργασία με τη γερμανική εταιρία CemeCon AG /99/. Σχήμα 4.1: Δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης. 12

23 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί Το δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες, για το οποίο θα γίνει εκτενής αναφορά σε επόμενο κεφάλαιο, είναι μία επέκταση του απλού δοκιμαστηρίου στο οποίο πραγματοποιούνται δοκιμές μόνο σε θερμοκρασίες δωματίου. Στο σχήμα 4.1 φαίνεται το σύνολο μίας πειραματικής διάταξης δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης που χρησιμοποιείται στο εργαστήριο εργαλειομηχανών και διαμορφωτικής μηχανολογίας ΕΕΔΜ. Κύρια τμήματα ενός απλού δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης είναι το κρουστικό δοκιμαστήριο και η μονάδα ελέγχου, η οποία επιβλέπει και καθοδηγεί όλη την πειραματική διαδικασία. Κατά τη διαδικασία της δοκιμασίας σε κρούση ένας σφαιρικός διεισδυτής καταπονεί σημειακά το προς εξέταση δοκίμιο, με σταθερή συχνότητα για ορισμένα κάθε φορά δύναμη και αριθμό κρούσεων. Οι τιμές της δύναμης κρούσης και του αριθμού των κρούσεων που θα πραγματοποιηθούν ρυθμίζονται μέσω μίας ειδικής φόρμας από τον χειριστή, (βλέπε σχήμα 4.2). Ο αριθμός των κρούσεων που καλείται το σύστημα να εκτελέσει κάθε φορά, μεταφράζεται σε χρόνο, ο οποίος μετράται αντίστροφα και το μηχάνημα μετά το πέρας του πειράματος σταματάει αυτόματα. Σχήμα 4.2: Πίνακας αξιολόγησης και ελέγχου. Για την επίτευξη της δύναμης χρησιμοποιείται ένα πηνίο, με ένα μαγνήτη στο κέντρο του, και στο κάτω άκρο του προσδένεται σταθερά ο εισβολέας. Όταν εφαρμοστεί τάση στα άκρα του πηνίου, από τη μονάδα παροχής ισχύος (σχήμα 4.3β), αυτό παλινδρομεί με τη συχνότητα του ρεύματος λόγω της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης 13

24 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί που ασκείται από το μαγνήτη. Έτσι η επικάλυψη φορτίζεται εναλλασσόμενα μεταξύ μηδενικής και μέγιστης δύναμης. Με τη βοήθεια του ειδικού λογισμικού, (σχήμα 4.2), μετριέται συνεχώς η δύναμη κρούσης, η θερμοκρασία του πηνίου και ρυθμίζεται η πίεση του αέρα για την ψύξη της συσκευής. Σχήμα 4.3: Δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης, μονάδα παροχής ισχύος και πίνακας αξιολόγησης και ελέγχου αυτού. Στο σχήμα 4.4 διακρίνεται σχηματικά το πλακίδιο το οποίο καταπονείται σε κρούση, ο σφαιρικός διεισδυτής, καθώς επίσης και το σημειακό σφαιρικό αποτύπωμα που δημιουργείται στην επικάλυψη λόγω στης κρούσης. Κατά την διάρκεια την φόρτισης, το υπόστρωμα παραμορφώνεται πλαστικά και η περιοχή επαφής δεν επανέρχεται στην αρχική της θέση, δημιουργώντας σταδιακά ένα κοίλωμα, ενώ ταυτόχρονα στην στοιβάδα δημιουργούνται παραμένουσες τάσεις. Σχήμα 4.4: Παράμετροι, των οποίων η μηχανική αντοχή επηρεάζεται λόγω υψηλών θερμοκρασιών. 14

25 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί Δοκιμασία πλάγιας κρούσης Τα πειράματα της παρούσας εργασίας στην πλειοψηφία τους υπέστησαν δοκιμασίες κάθετης κρούσης. Ένα μέρος όμως των πλακιδίων υποβλήθηκαν και σε δοκιμασία πλάγιας κρούσης (βλέπε σχήμα 4.5). Κατά τη δοκιμασία κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης, η φθορά της επικάλυψης οφείλεται κυρίως στην Σχήμα 4.5: Διατάξεις κάθετης και πλάγιας κρούσης. κόπωση. Κατά τη διαδικασία όμως πλάγιας κρούσης, οι επαναλαμβανόμενες κρούσεις του εισβολέα πραγματοποιούνται σε κεκλιμένη επιφάνεια, με αποτέλεσμα η επικάλυψη να φορτίζεται ταυτόχρονα σε δύο διευθύνσεις, κάθετα και εφαπτομενικά. Με τον τρόπο αυτό δίνεται η δυνατότητα μελέτης της φθοράς λόγω μικροαπόξεσης της επιφάνειας. Προκειμένου να πραγματοποιηθούν δοκιμές επαναλαμβανόμενης πλάγιας κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες, κατασκευάστηκε ειδικός βωμός και τοποθετήθηκε μέσα στη διάταξη θέρμανσης που παρουσιάστηκε στο σχήμα 6.3. Το σύνολο των πειραμάτων που έγιναν υπό γωνία στα πλαίσια της παρούσας εργασίας έγιναν σε γωνία 10 ο. 4.2 Συσκευή νανοσκληρομέτρησης Σημαντικό μέρος των συμπερασμάτων της παρούσης εργασίας στηρίχτηκε στη γνώση των μηχανικών ιδιοτήτων αντοχής και της σκληρότητας των επικαλύψεων των κοπτικών πλακιδίων /42,63,64,65,83,84,94,96,104,/. Οι σύγχρονες συσκευές νανοδιείσδυσης παρέχουν τη δυνατότητα εκτίμησης των ιδιοτήτων αντοχής των υλικών. Η διαδικασία νανοδιείσδυσης χρησιμοποιείται ευρέως για τον προσδιορισμό του μέτρου ελαστικότητας και της σκληρότητας των επικαλύψεων. Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε το νανοσκληρόμετρο FISCHERSCOPE H100 της εταιρίας Helmut FISCHER GmbH & Co το οποίο φαίνεται στο σχήμα 4.6 /73/. 15

26 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί Σχήμα 4.6: Συσκευή Νανοσκληρομέτρησης της εταιρίας FISCHER Gmbh & Co. Η συσκευή είναι πλήρως αυτοματοποιημένη και μέσω ενός ειδικού λογισμικού του WIN-HCU ver.3.1 προσδιορίζονται οι διαστάσεις του αποτυπώματος που σχηματίζεται στην επιφάνεια της επικάλυψης κατά τη μέτρηση και γίνεται γνωστό το βάθος της διείσδυσης, το οποίο οδηγεί στα μετέπειτα συμπεράσματα. Ο εισβολέας μπορεί να είναι αδαμάντινος τύπου Berkovich, Vickers ή μεταλλική σφαίρα διαμέτρου mm. Στην παρούσα εργασία όλες οι μετρήσεις έγιναν με αδαμάντινο εισβολέα τύπου Berkovich. Η τράπεζα εργασίας έχει τη δυνατότητα κίνησης σε οριζόντιο επίπεδο σε ακτίνα 50 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. Η συσκευή και το λογισμικό που συνεργάζεται για την υλοποίηση μίας μέτρησης, παρέχει στο χρήστη πολλές δυνατότητας και πολλές πληροφορίες. Οι περισσότερο χρήσιμες 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 /7/ Δοκιμασία νανοδιείσδυσης (nanoindentation), Αλγόριθμος SSCUBONI Η γνώση και όσο το δυνατόν η καλύτερη εκμετάλλευση των επικαλύψεων προϋποθέτει τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων σε κάθε περίπτωση. Για το σκοπό αυτό έχουν εξελιχθεί ειδικά δοκιμαστήρια εισβολής και ειδικά προγράμματα προσομοίωσης πεπερασμένων στοιχείων. Το δοκιμαστήριο νανοδιείσδυσης ασκεί σημειακές φορτίσεις στην προς εξέταση επιφάνεια, μέσω ειδικών εισβολέων οι οποίοι παρουσιάζονται στο σχήμα 4.7. Οι πιθανοί εισβολείς είναι Πυραμίδα Vickers, πυραμίδα Berkovich ή μία μπάλα σκληρομετάλλου. 16

27 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί Σχήμα 4.7 : Τύποι εισβολέων που χρησιμοποιούνται κατά τη δοκιμασία νανοδιείσδυσης. Το φορτίο κυμαίνεται από 1 mn έως 1000mN, και η πορεία της μέτρησης καταγράφεται συνεχώς. Η μέτρηση αποτελείται από δύο στάδια, αυτό της φόρτισης και της αποφόρτισης. Όταν το φορτίο απομακρύνεται (στάδιο αποφόρτισης), λόγω της πλαστικής παραμόρφωσης του δοκιμίου, υπάρχει ένα εναπομένον βάθος hp, εξαρτώμενο από το εφαρμοζόμενο φορτίο και τη γεωμετρία του εισβολέα /65/. Το τέλος της φόρτισης αντιστοιχεί στο μέγιστο βάθος στο οποίο μπορεί να εισχωρήσει ο εισβολέας στην επικάλυψη, ενώ κατά τη διάρκεια της αποφόρτισης παρατηρείται ένα εναπομένον βάθος hp, λόγω πλαστικής παραμόρφωσης, Από το σύνολο των μετρήσεων που έχουν ζητηθεί να πραγματοποιήσει η μηχανή, το λογισμικό του μηχανήματος υπολογίζει έναν μέσο όρο. Σχήμα 4.8 : Χαρακτηριστικό παράδειγμα μέτρησης νανοδιείσδυσης. Στο σχήμα 4.8 παρουσιάζεται χαρακτηριστικό παράδειγμα μέτρησης. Πρόκειται για μία τυπική μέτρηση όπως προκύπτει από το λογισμικό WIN-HCU ver.3.1 όπου φαίνεται η φόρτιση, η αποφόρτιση της εισβολής, ενώ η μύτη της καμπύλης αντιστοιχεί στο μέγιστο βάθος. Η καμπύλη που προκύπτει κατά τη μέτρηση, καθώς και η χρήση ειδικής υπολογιστικής διαδικασίας FEM οδηγούν στον προσδιορισμό 17

28 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί των ιδιοτήτων των υλικών και συγκεκριμένα των καμπυλών τάσης-ελαστοπλαστικής παραμόρφωσης /7,33,34,/. Για τη σωστή αξιολόγηση των αποτελεσμάτων, είναι απαραίτητη η ακριβής γνώση των χαρακτηριστικών του εισβολέα. Είναι χαρακτηριστικό, ότι μία μικρή απόκλιση από την ιδανική γεωμετρία οδηγεί σε λανθασμένες εκτιμήσεις. Για το λόγο αυτό έχουν προκύψει κατάλληλες διαδικασίες βαθμονόμησης /16,73/, ώστε να γίνεται διόρθωση της απόκλισης από την ιδανική μορφή. Με τη βοήθεια αλγορίθμου πεπερασμένων στοιχείων προσεγγίζεται η πραγματική γεωμετρία των εισβολέων και επιτυγχάνεται η ορθή εξαγωγή των ιδιοτήτων της επικάλυψης /7,12,41,42,43/. Προκειμένου να προσδιοριστούν οι ιδιότητες των επικαλύψεων και να προκύψουν οι καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης των υλικών, δημιουργήθηκε ειδικός FEM αλγόριθμος με την επονομασία SSCUBONI /7/. Το εφαρμοσμένο μοντέλο FEM παρουσιάζεται ποιοτικά στο σχήμα 4.9. Σχήμα 4.9 : Συνεχή FEM προσομοίωση της διαδικασίας νανοδιείσδυσης για την εξαγωγή των καμπύλων τάσης παραμόρφωσης καθώς και περιγραφή της πραγματικής γεωμετρίας της αιχμής του εισβολέα. Η πραγματική μορφή της αιχμής του εισβολέα διαφέρει από την ιδανική αιχμηρή 18

29 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί 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 /12/. 4.3 Συσκευή προσδιορισμού πάχους επικάλυψης Από τις σημαντικότερες τιμές που πρέπει να είναι γνωστή ώστε να αξιολογηθεί μία επικάλυψη κοπτικού πλακιδίου, είναι το πάχος αυτής/12,22-27,/. Η μέτρηση του πάχους επικάλυψης γίνεται μέσω απόξεσης με τη συσκευή κρατεροποίησης της εταιρίας CemeCon AG (βλέπε σχήμα 4.10) και είναι το γνωστό Kalotthen /L test. Η λογική της συγκεκριμένης διεργασίας είναι να φθαρεί η επικάλυψη και να αποκαλυφθεί το υπόστρωμα. Έτσι μία ειδική σφαίρα σκληρομετάλλου περιστρέφεται πάνω στην προς εξέταση επικάλυψη είτε ωρολογιακά είτε αντιωρολογιακά σε συγκεκριμένη θέση, η οποία ορίζεται κατά την τοποθέτηση του δοκιμίου. Μεταξύ σφαίρας και επικάλυψης παρεμβάλλεται διάλυμα διαμαντόσκονης η οποία κατά την περιστροφή φθείρει την επικάλυψη και δημιουργείται αποτύπωμα παρόμοιο με αυτό που απεικονίζεται στο δεξί μέρος του σχήματος Σχήμα 4.10: Συσκευή προσδιορισμού πάχους επικάλυψης και τυπικό αποτύπωμα στην επιφάνεια της προς εξέταση επικάλυψης. Η χρονική διάρκεια της όλης διαδικασίας εξαρτάται από το πάχος της εξεταζόμενης επικάλυψης. Ενδεικτικά, αναφέρεται ότι για επικάλυψη 3 μm απαιτείται περίπου 1 λεπτό. Για τον υπολογισμό του πάχους της επικάλυψης μετρώνται τα μεγέθη Χ και Υ που φαίνονται στο δεξί τμήμα του σχήματος Η μέτρησή τους γίνεται με τη βοήθεια μικροσκοπίου, η τράπεζα του οποίου διαθέτει μικρομετρικό κανόνα. Με βάση τα μεγέθη αυτά και υποθέτοντας ότι το αποτύπωμα έχει σφαιρικό προφίλ ιδίας 19

30 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί ακτίνας R με αυτή της σφαίρας σκληρομετάλλου, το πάχος της εξεταζόμενης επικάλυψης υπολογίζεται σε μm εφαρμόζοντας τη μαθηματική σχέση: Χ Υ t = 4.1 2R όπου t το πάχος της επικάλυψης, R η ακτίνα της σφαίρας [10x10 3 Χ, Υ τα μεγέθη που εικονίζονται στη φωτογραφία [μm] μm] και 4.4 Συσκευή τραχυμέτρησης Στην αξιολόγηση των αποτελεσμάτων είναι απαραίτητη η γνώση της επιφανειακής τραχύτητας των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων. Ο προσδιορισμός της επιφανειακής τραχύτητας έγινε σε πολλές περιπτώσεις με τη βοήθεια του ταχύμετρου Surtronic 3+ της εταιρίας Taylor-Hobson που φαίνεται στο αριστερό μέρος του σχήματος 4.11 /97/. Η καθοδήγηση του τραχύμετρου γίνεται μέσω υπολογιστή. Το πρόγραμμα που χρησιμοποιείται είναι το Talyprofile, το οποίο έχει τη δυνατότητα να υπολογίζει, να αποτυπώνει σε διάγραμμα (δεξί μέρος του σχήματος) και να αποθηκεύει πολλά χαρακτηριστικά μεγέθη τραχύτητας, όπως π.χ. τα μεγέθη R a, R t, R Sm. Κατά την μέτρηση ο χρήστης επιλέγει ένα μήκος αποκοπής Lc στο οποίο διαιρείται το μήκος μέτρησης. Το μήκος αποκοπής επιλέγεται ανάλογα με την προς εξέταση επιφάνεια. Σε σχετικά λείες επιφάνειες το μήκος αποκοπής επιλέγεται μικρότερο σε σύγκριση με πιο τραχιές επιφάνειες, ώστε να γίνεται ακριβέστερη καταγραφή της. Η παρούσα συσκευή με τη χρήση διαφόρων στυλίσκων, όπως 112/1504, 112/1505, 112/1506 δύναται να υπολογίσει την τραχύτητα κυρτών επιφανειών και επιφανειών με σχετικά μεγάλο βάθος. Σχήμα 4.11: Συσκευή τραχυμέτρησης και τυπικά τραχυγραφήματα εξεταζόμενων επικαλύψεων. 4.5 Συσκευή σκληρομέτρησης Προκειμένου να εξαχθούν συμπεράσματα για την ποιότητα της συνάφειας της επικάλυψης με το υπόστρωμα, ακολουθήθηκε η διαδικασία της εισβολής. Η διαδικασία διεξάγεται με εισβολέα Rockwell C, όπως προδιαγράφεται από τη 20

31 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί σύσταση VDI 3198/1991 /105/ και παρουσιάζεται στο σχήμα 4.12α. Κατά τη διαδικασία αυτή ένας αδαμάντινος εισβολέας διεισδύει στην επικάλυψη με φορτίο που φτάνει τα 150 dan (σχήμα 4.12β). Στην επιφάνεια του δοκιμίου δημιουργείται αποτύπωμα εισβολής το οποίο αξιολογείται και προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα. Οι μικρορωγμές που εμφανίζονται περιφερειακά του αποτυπώματος, καθώς και οι ζώνες συναφειακής αστοχίας μεταφράζονται ανάλογα. Η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων είναι κυρίως οπτική. Ενδεικτικές περιπτώσεις καλής και κακής συνάφειας παρουσιάζονται στο σχήμα 4.12γ /40/. Σχήμα 4.12: Συσκευή σκληρομέτρησης, απεικόνιση της δοκιμασίας εισβολής και τυπικά αποτυπώματα που προέκυψαν στην επιφάνεια επικαλύψεων καλής και κακής συνάφειας. Διαδικασία εισβολής (indentation test) Η διαδικασία αυτή μας παρέχει αρκετές πληροφορίες για την ποιότητα της συνάφειας της επικάλυψης με το υπόστρωμα. Διεξάγεται με εισβολέα Rochwell C σύμφωνα με τις προδιαγραφές VDI 3198/1991 /105/. O εισβολέας βυθίζεται στην επιφάνεια με συγκεκριμένη δύναμη και αφήνει ένα αποτύπωμα. Αξιολογούνται οι μικρορωγμές που δημιουργούνται περιφερειακά του αποτυπώματος εισβολής και οι ζώνες συναφειακής αστοχίας. Η διαδικασία αυτή δίνει μόνο ποιοτικά αποτελέσματα για τη δύναμη συνάφειας της επικάλυψης και είναι περισσότερο εποπτική μέθοδος. Προκειμένου λοιπόν να προσδιοριστεί ποσοτικά η συνάφεια, χρησιμοποιείται το δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης υπό κλίση, σε συνδυασμό με προσομοιωτικά μοντέλα με τη βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων. Στο σχήμα 4.12γ φαίνεται ένα τυπικό παράδειγμα επικάλυψης καλής και κακής συνάφειας /49/. 21

32 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί 4.6 Πολυαξονικό κέντρο κατεργασίας (CNC) Για να συσχετισθούν τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης με την πραγματική απόδοση των προς μελέτη επικαλύψεων, διεξήχθησαν πειράματα φραιζαρίσματος. Τα πειράματα αυτά έλαβαν χώρα σε ένα καθοδηγούμενο κέντρο κατεργασίας τριών αξόνων JOHNFORD καθοδήγησης FANUC OM, το οποίο φαίνεται στο σχήμα Το CNC κέντρο κατεργασίας το οποίο διαθέτει μύλο αλλαγής 16 διαφορετικών συγκρατητών εργαλείων, είναι εγκατεστημένο στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας του Α.Π.Θ. Η τράπεζα της μηχανής κινείται στους άξονες X, Y ενώ το εργαλείο κοπής στον άξονα Z. Ο προγραμματισμός του κέντρου γίνεται μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή, ενώ παρέχεται η δυνατότητα χρήσης έτοιμων υπορουτίνων από τις βιβλιοθήκες της μηχανής με απευθείας εγγραφή κώδικα G στον επεξεργαστή εντολών /43/. Κατά τη διάρκεια της κοπής, η ταχύτητα κοπής, το βάθος κοπής, η πρόωση και το υγρό κοπής ελέγχονται πλήρως. Σχήμα 4.13: Πολυαξονικό κέντρο κατεργασίας (CNC). 22

33 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί Περιφερικό φραιζάρισμα Μία από τις βασικότερες μηχανικές κατεργασίες αφαίρεσης υλικού, είναι το περιφερικό φραιζάρισμα. Πλέον υπάρχουν υπερσύγχρονες, αυτοματοποιημένες εργαλειομηχανές, οι δυνατότητες των οποίων είναι πολλές και η ακρίβεια που επιτυγχάνεται της τάξεως μερικών μικρομέτρων. Η κατεργασία γίνεται αυτόματα μέσω ηλεκτρονικού υπολογιστή, προσφέροντας ποιότητα, ταχύτητα, ευκολία και ασφάλεια στον χειριστή /2/. Για την κατεργασία της κοπής χρησιμοποιούνται κοπτικά πλακίδια διαφόρων υλικών, σχημάτων και παχών, τα οποία προσδένονται στον εργαλειοφόρο άξονα. Το προς κατεργασία τεμάχιο συγκρατείται πάνω στην τράπεζα με κατάλληλους κάθε φορά συγκρατητές. Η τράπεζα της μηχανής κινείται στους άξονες Χ, Υ, ενώ το εργαλείο κοπής στον άξονα Ζ. Το περιφερικό φραιζάρισμα ως προς την περιστροφική κίνηση του εργαλείου διακρίνεται σε δύο κατηγορίες, το ομόρροπο και το αντίρροπο φραιζάρισμα. Στο σχήμα 4.14 παρουσιάζεται σχηματικά η κινηματική της διαδικασίας του φραιζαρίσματος. Σχήμα 4.14 : Κινηματική κοπής που εφαρμόστηκε κατά το αντίρροπο περιφερικό φραιζάρισμα. Με το πέρας της κατεργασίας αξιολογείται η επικάλυψη, βάση του αριθμού των κοπών που έχει επιτευχθεί μέχρι κάποιο προκαθορισμένο κριτήριο φθοράς. Ο αριθμός κοπών ΑS, δηλαδή ο αριθμός των μεμονωμένων αποβλίττων που θα μπορούσε κάποιος να μετρήσει στο τέλος της κατεργασίας, ο οποίος φυσικά αντιστοιχεί και στον αριθμό των στροφών που έχει εκτελέσει το εργαλείο, υπολογίζεται από τον τύπο: 23

34 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί Στην περίπτωση που για την κατεργασία χρησιμοποιείται ένα τεμάχιο κυκλικής διατομής και γίνεται για ορισμένο τόξο κύκλου, τότε το μήκος κατεργασίας δίνεται από τη σχέση: L = φ ( R + r - α xy ) όπου φ: γωνία του τόξου κύκλου (rad) R: ακτίνα του κατεργαζόμενου τεμαχίου (mm) r: ακτίνα της ιδιοσυσκευής συγκράτησης (mm) α xy : το ακτινικό βάθος κοπής (mm) Στην περίπτωση του φραιζαρίσματος η πρόωση ορίζεται από τη σχέση: όπου φ : γωνία εμπλοκής του εργαλείου στο τεμάχιο κατεργασίας h(φ ): πάχος του απαραμόρφωτου αποβλίττου ανάλογο της γωνίας φ (mm) κ: γωνία τοποθέτησης του εργαλείου. Τέλος στο τορνάρισμα η αξιολόγηση των εξεταζόμενων πλακιδίων γίνεται βάσει του συνολικού μήκους που επιτυγχάνει το κάθε πλακίδιο μέχρι κάποιο προκαθορισμένο κριτήριο φθοράς. Το μήκος L VB ορίζεται από τη σχέση: L VB = f v c v k όπου fv: η ταχύτητα πρόωσης του εργαλείου (m/min) v: η ταχύτητα κοπής (m/min) c,k: συντελεστές που εξαρτώνται από το συνδυασμό εργαλείου, υλικού κατεργαζόμενου τεμαχίου και υγρού κοπής. 4.7 Μικροσκόπια Ο έλεγχος της φθοράς της επικάλυψης, καθώς και όλων των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από όλες τις διεργασίες που περιγράφηκαν, απαιτεί τη χρήση μικροσκοπίων. Κατά τη διάρκεια της παρούσας εργασίας χρησιμοποιήθηκαν διάφορων τύπων μικροσκόπια. Στο σχήμα 4.15 φαίνεται το οπτικό μικροσκόπιο, ενώ στο δεύτερο τμήμα του ιδίου σχήματος παρουσιάζεται το στερεοσκοπικό μικροσκόπιο τύπου 2000-C της εταιρίας Zeiss τα οποία βρίσκονται στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας ΕΕΔΜ του Α.Π.Θ. Και τα δύο χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση των αποτυπωμάτων Kalotthen test και τον προσδιορισμό του βάθους της επικάλυψης. 24

35 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί Σχήμα 4.15: Οπτικό και στερεοσκοπικό μικροσκόπιο. Το σύνολο των αποτυπωμάτων που προέκυψαν από τη διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης, φωτογραφήθηκαν στο Σαρωτικό Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (SEM) Joel τύπου JSM-840 το οποίο είναι εγκατεστημένο στο Εργαστήριο Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας του Α.Π.Θ. και το οποίο φαίνεται στο σχήμα Το μικροσκόπιο αυτό παρέχει φωτογραφίες υψηλής ευκρίνειας με οπτική δυνατότητα αντίληψης της αστοχίας της επικάλυψης /75/. Σχήμα 4.16: Σαρωτικό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (SEM). Στο σχήμα 4.17 παρουσιάζεται μία τυπική φωτογραφία αποτυπώματος το οποίο προέκυψε από τη διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης. Διακρίνεται εύκολα το υπόστρωμα με άσπρο χρώμα, κάνοντας αμέσως αντιληπτή τη φθορά της επικάλυψης. Επίσης, από το μηχάνημα παρέχεται η δυνατότητα μικροφασματικής ανάλυσης (EDX), επιβεβαιώνοντας έτσι και στοιχειομετρικά την αστοχία της επικάλυψης. 25

36 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί Σχήμα 4.17: Μικροφωτογραφία αποτυπώματος από το σαρωτικό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (SEM). Ανάλογες φωτογραφίες και μικροφασματικοί έλεγχοι έγιναν για όλες τις περιπτώσεις που μελετήθηκαν στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, αποκλείοντας οποιαδήποτε αμφιβολία σχετικά με την ορθότητα των συμπερασμάτων. Τέλος, χρησιμοποιήθηκε το όργανο NanoFocus μsurf το οποίο βρίσκεται στους χώρους του ΕΕΔΜ και φαίνεται στο σχήμα 4.18 /79/. Πρόκειται για ένα μικροσκόπιο ιδιαίτερα εξελιγμένο που παρέχει δυνατότητα τρισδιάστατης απεικόνισης του αποτυπώματος δίνοντας τη δυνατότητα οπτικής αξιολόγησης της αστοχίας ή όχι της επικάλυψης. Σχήμα 4.18: Μικροσκόπιο NanoFocus μsurf. Είναι δυνατή ταυτόχρονα η μέτρηση της διαμέτρου, του βάθους και του όγκου της κοιλότητας του εκάστοτε αποτυπώματος. Στο σχήμα 4.19 δίνεται παράδειγμα των δυνατοτήτων του μηχανήματος. Σαρώνοντας την επιφάνεια προκύπτουν διαγράμματα παρουσιάζοντας ανά πάσα στιγμή το βάθος. Έτσι γίνεται εύκολα 26

37 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί αντιληπτή μέσω του προφίλ η κατάσταση της επιφάνεια του αποτυπώματος, ενώ δίνονται άμεσα χρήσιμα στοιχεία, μεταξύ των οποίων η τραχύτητα της επιφάνειας, χωρίς να χρειάζεται πλέον να καταφύγουμε στη διαδικασία τραχυμέτρησης (παράγραφος 4.4). Στο συγκεκριμένο παράδειγμα, η δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης φαίνεται ότι έχει προκαλέσει ένα κρατήρα βάθους ho = 8.462μm. Δεδομένου ότι η επικάλυψη έχει πάχος 3μm, είναι προφανές ότι η επικάλυψη έχει αστοχήσει. Σχήμα 4.19: Σάρωση της επιφάνειας αποτυπώματος και μέτρηση του βάθους αυτού με το 3D μικροσκόπιο NanoFocus μsurf. 4.8 Προσομοίωση Προκειμένου να συγκριθούν τα πειραματικά αποτελέσματα της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης με θεωρητικά, προσομοιώθηκε η διαδικασία της κρούσης με μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε ειδικό λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων ANSYS το οποίο παρέχει τη δυνατότητα δημιουργίας και μακροεντολών /95/. Στο σχήμα 4.20 φαίνονται οι παραμένουσες τάσεις στην επικάλυψη, έπειτα από τη διαδικασία της κρούσης, όπως προσδιορίστηκαν έπειτα από προσομοίωση. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας συχνά κρίθηκε αναγκαίος ο υπολογισμός του ποσοστού αστοχίας των επικαλύψεων κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε ειδικά εξελιγμένος αλγόριθμος 27

38 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί WEPROC (WΕar PROpagation Code) /44,51/. Σχήμα 4.20 : Προσομοίωση της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης με πεπερασμένα στοιχεία και υπολογισμοί των πεδίων τάσεων στην επικάλυψη. Όπως φαίνεται στο σχήμα 4.21, ο λόγος της επιφάνειας της επικάλυψης FR, ορίζεται ως ο λόγος της επιφάνειας που έχει αποκαλυφθεί το υπόστρωμα προς τη συνολική επιφάνεια επαφής. Ο λόγος FR υπολογίζεται αυτόματα από το πρόγραμμα. Σχήμα 4.21: Προσδιορισμός της επιφάνειας αστοχίας της επικάλυψης εντός του αποτυπώματος, μέσω του αλγορίθμου WEPROC. 28

39 4. Πειραματικές διατάξεις και υπολογισμοί Για τον θεωρητικό προσδιορισμό της διαμέτρου του αποτυπώματος κατά τη διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης, καθώς και της αντοχής σε κόπωση S D των επικαλύψεων που μελετήθηκαν και να προκύψουν διαγράμματα Smith και Woehler, χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό ITEC + /10,59/. Στο σχήμα 4.22 φαίνεται ένα τυπικό παράδειγμα επίλυσης από το λογισμικό ITEC +. Στο αριστερό τμήμα διακρίνεται συμπληρωμένη η φόρμα με τα δεδομένα της επικάλυψης και του υποστρώματος ενώ το πρόγραμμα λύνει την περίπτωση και στο δεξί τμήμα διακρίνεται το διάγραμμα Woehler που προκύπτει. Σχήμα 4.22: Επίλυση με τη χρήση του λογισμικού ITEC +. 29

40 5. Μελέτη συμπεριφοράς DVD επικαλύψεων, μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης και της δοκιμασίας νανοδιείσδυσης 5. Μελέτη συμπεριφοράς PVD επικαλύψεων, μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης και της δοκιμασίας νανοδιείσδυσης Προκειμένου να μελετηθεί ο μηχανισμός αστοχίας της επικάλυψης και να γίνει γνωστό τι ουσιαστικά συμβαίνει στο εσωτερικό της επικάλυψης, πώς επηρεάζεται η σκληρότητα αυτής και οι ελαστοπλαστικές της ιδιότητες κατά την επαναλαμβανόμενη σημειακή φόρτιση, πραγματοποιήθηκαν πειράματα κρούσης στο κρουστικό δοκιμαστήριο του Εργαστηρίου Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας. Πριν τη μελέτη της επικάλυψης σε υψηλές θερμοκρασίες που ακολουθεί στα επόμενα κεφάλαια, κρίθηκε αναγκαίο να εξετασθεί, κατά πόσο η δοκιμασία κρούσης, λόγο της συνεχούς σημειακής παροχής μηχανικής ενέργειας συμβάλλει ή όχι στη μεταβολή των ιδιοτήτων της επικάλυψης. Σε επαναλαμβανόμενη κρούση υποβλήθηκαν πλακίδια σκληρομετάλλου Κ05-Κ20 επικαλυμμένα με TiAlN-SN 2. Για τα δοκίμια αυτά, προσδιορίστηκαν οι μηχανικές ιδιότητες της επικάλυψης αλλά και του υποστρώματος που χρησιμοποιήθηκε μέσω της διαδικασίας νανοσκληρομέτρησης /33,34,41-43/. Η νανοδιείσδυση έγινε με διεισδυτή Berkovich τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του οποίου δίνονται στο κάτω τμήμα του σχήματος 5.1. Σχήμα 5.1: Καμπύλες νανοδιείσδυσης για την επικάλυψη και το υπόστρωμα που χρησιμοποιήθηκαν. Η δύναμη που εφαρμόστηκε ήταν 15 mn. Πραγματοποιήθηκαν 60 μετρήσεις για την κάθε επιφάνεια, ο μέσος όρος των οποίων οδήγησε στις καμπύλες που παρουσιάζονται στο σχήμα 5.1. Με διακεκομμένη γραμμή εμφανίζεται η καμπύλη φόρτισης και αποφόρτισης του υποστρώματος, ενώ η συνεχόμενη γραμμή αντιστοιχεί στην επικάλυψη. Παρατηρώντας τις καμπύλες είναι προφανές ότι η επικάλυψη παρουσιάζει μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης από το υπόστρωμα, χωρίς 30

41 5. Μελέτη συμπεριφοράς DVD επικαλύψεων, μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης και της δοκιμασίας νανοδιείσδυσης βέβαια η απόκλιση των δύο τιμών δεν είναι ιδιαίτερα μεγάλη. Χρησιμοποιώντας το προσομοιωτικό μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων (FEM) SSCUBONI /7,34/, με βάση τις καμπύλες δύναμη διείσδυσης-βάθους διείσδυσης που προέκυψαν από τη νανοδιείσδυση, προσδιορίστηκαν οι καμπύλες τάσηςπαραμόρφωσης της επικάλυψης καθώς και του υποστρώματος και παρουσιάζονται στο σχήμα 5.2. Μπορεί να διαπιστωθεί ότι η επικάλυψη και το υπόστρωμα έχουν σχεδόν ίδιο μέτρο ελαστικότητας, 580 GPa το υπόστρωμα και 600 GPa η επικάλυψη, ενώ την ίδια συμπεριφορά βρίσκουμε και στο όριο διαρροής με 3.3 GPa του υποστρώματος και πολύ κοντά στο 3.5 GPa της επικάλυψης. Σχήμα 5.2: Καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης για την επικάλυψη και το υπόστρωμα που χρησιμοποιήθηκαν. Με τη βοήθεια προσομοιωτικών μοντέλων πεπερασμένων στοιχείων, προσομοιώθηκε η διαδικασία της επαναλαμβανόμενης κρούσης και υπολογίστηκαν οι τάσεις που αναπτύσσονται /52/. Στο σχήμα 5.3 παρουσιάζονται οι τάσεις τόσο στην επικάλυψη όσο και στο υπόστρωμα για τη φόρτιση αλλά και την αποφόρτιση της διαδικασίας. Κατά την φάση της φόρτισης, η μέγιστη τάση που αναπτύσσεται στην επικάλυψη είναι 3 GPa, μικρότερη από το όριο διαρροής που για την επικάλυψη υπολογίστηκε 3.5 GPa (σχήμα 5.2). Συμπεραίνουμε λοιπόν, ότι η επιφάνεια παραμορφώνεται μόνο ελαστικά και δεν παρατηρείται μόνιμη, πλαστική παραμόρφωση. Στο υπόστρωμα όμως, οι τάσεις που αναπτύσσονται είμαι 5 GPa, έχει περάσει δηλαδή στην πλαστική περιοχή, ενώ στη φάση της αποφόρτισης εμφανίζονται και εναπομένουσες τάσεις. 31

42 5. Μελέτη συμπεριφοράς DVD επικαλύψεων, μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης και της δοκιμασίας νανοδιείσδυσης Σχήμα 5.3: Κατανομή τάσεων von Mises κατά το στάδιο της φόρτισης και της αποφόρτισης σε περιοχή αποτυπώματος που προέκυψε έπειτα από δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης με φορτίο 60daN. Έχοντας γνώση των τάσεων που αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια της σημειακής φόρτισης, δημιουργήθηκε το ερώτημα αν μεταβάλλονται οι ιδιότητες της επικάλυψης λόγω της κρούσης. Υποβλήθηκαν λοιπόν σε επαναλαμβανόμενη κρούση τα πλακίδια σκληρομετάλλου Κ05-Κ20 επικαλυμμένα με TiAlN-SN 2, των οποίων οι ιδιότητες υπολογίστηκαν και παρουσιάστηκαν παραπάνω. Η επικάλυψη φορτίστηκε με δυνάμεις 30 dan, 60 dan και 90 dan, για κρούσεις και 10 6 κρούσεις. Τα αποτυπώματα φωτογραφήθηκαν στο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο SEM προκειμένου να διαπιστωθεί η αστοχία ή όχι της επικάλυψης. Στο σχήμα 5.4 παρουσιάζονται οι μικροφωτογραφίες SEM των αποτυπωμάτων ενδεικτικά για τις κρούσεις και για τις τρεις δυνάμεις που εφαρμόστηκαν 30, 60 και 90 dan. Όπως είναι προφανές η διάμετρος των αποτυπωμάτων αυξάνεται ανάλογα με τη δύναμη κρούσης. 32

43 5. Μελέτη συμπεριφοράς DVD επικαλύψεων, μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης και της δοκιμασίας νανοδιείσδυσης Σχήμα 5.4: Φωτογραφίες SEM αποτυπωμάτων επαναλαμβανόμενης κρούσης για διάφορες δυνάμεις. Για κάθε ένα από τα αποτυπώματα προσδιορίστηκε το ποσοστό αστοχίας FR% μέσω ειδικού αλγορίθμου WERPROC. Στο σχήμα 5.5 παρουσιάζεται η εξέλιξη των ποσοστών αστοχίας και για τις τρεις δυνάμεις με τις οποίες καταπονήθηκε η επικάλυψη αυξάνοντας των αριθμό των κρούσεων. Μία φόρτιση 300Ν, δεν προκαλεί αστοχία της επικάλυψης όσο κι αν αυξηθεί ο αριθμός των κρούσεων. Αυξάνοντας το φορτίο στα 600Ν, η επικάλυψη παρουσιάζει ακόμα πολύ καλή συμπρειφορά, αφού μία πρώτη αστοχία παρατηρείται μετά από 3x10 6 κρούσεις. Για μεγαλύτερο φορτίο όμως 900Ν, η επικάλυψη αστοχεί πλήρως για μόλις 10 6 κρούσεις. Σχήμα 5.5: Ποσοστό αστοχίας της επικάλυψης για διαφορετικά φορτία, αυξάνοντας 33

44 5. Μελέτη συμπεριφοράς DVD επικαλύψεων, μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης και της δοκιμασίας νανοδιείσδυσης τον αριθμό των κρούσεων κατά την επαναλαμβανόμενη κρούση. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκαν νανοδιεισδύσεις στην περιοχή του αποτυπώματος. Το αποτύπωμα χωρίστηκε σε δύο περιοχές όπως φαίνεται στην τρισδιάστατη απεικόνιση του σχήματος 5.6. Ως πρώτη περιοχή χαρακτηρίστηκε το κέντρο του αποτυπώματος και δεύτερη η περιφέρεια αυτού. Η τρίτη περιοχή που φαίνεται στο σχήμα αντιστοιχεί στην επιφάνεια εκτός αποτυπώματος που δεν έχει υποστεί δοκιμασία κρούσης. Οι νανοδιεισδύσεις που εφαρμόστηκαν έγιναν ομαδοποιημένες στις δύο προαναφερθείσες περιοχές. Στην κάθε περιοχή εφαρμόστηκαν 40 μετρήσεις από τις οποίες υπολογίστηκε ένας μέσος όρος κι έτσι για κάθε αποτύπωμα προέκυψαν τρεις καμπύλες. Σχήμα 5.6: Περιοχές διαίρεσης του αποτυπώματος, στις οποίες εφαρμόστηκαν νανοδιεισδύσεις. Σε μία καθαρή περιοχή της επικάλυψης, πριν δημιουργηθεί αποτύπωμα από τη διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης, πραγματοποιήθηκαν ομαδοποιημένες νανοδιεισδύσεις σε τρεις περιοχές. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 5.7, και όπως ήταν αναμενόμενο αφού και οι τρεις περιοχές είναι ίδιες, οι μετρήσεις και των τριών περιοχών ακολουθούν στον ίδιο μέσο όρο. 34

45 5. Μελέτη συμπεριφοράς DVD επικαλύψεων, μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης και της δοκιμασίας νανοδιείσδυσης Σχήμα 5.7: Καμπύλη νανοδιείσδυσης για τρεις περιοχές της επικάλυψης πριν τη διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης. Στο σχήμα 5.8 παρουσιάζονται οι καμπύλες νανοδιείσδυσης που προέκυψαν για κάθε μία από τις τρεις περιοχές. Το συγκεκριμένο αποτύπωμα έχει ακτίνα 168 μm και προέκυψε από διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης για εφαρμογές και δύναμη 60 dan. Σχήμα 5.8: Καμπύλες νανοδιείσδυσης στις τρεις περιοχές του αποτυπώματος. Όπως είναι προφανές το βάθος διείσδυσης δεν είναι ίδιο για κάθε περιοχή. Στο κέντρο του αποτυπώματος έχουμε μικρότερο βάθος διείσδυσης ίσο με 160 nm, ενώ στην περιφέρεια του αποτυπώματος υπολογίζεται η διείσδυση στα 180 nm. Επίσης, παρατηρείται ότι το βάθος διείσδυσης δεν παραμένει σταθερό με το αρχικό της 35

46 5. Μελέτη συμπεριφοράς DVD επικαλύψεων, μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης και της δοκιμασίας νανοδιείσδυσης επικάλυψης το οποίο είναι σταθερά στα 170 nm. Όπως ήδη αναφέρθηκε, μικρότερο Σχήμα 5.9: Καμπύλες νανοδιείσδυσης από μετρήσεις στο κέντρο και την περιφέρεια αποτυπωμάτων, τα οποία προέκυψαν έπειτα από δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης για φορτίο 30, 60 και 90 dan και αριθμό κρούσεων

47 5. Μελέτη συμπεριφοράς DVD επικαλύψεων, μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης και της δοκιμασίας νανοδιείσδυσης βάθος διείσδυσης παραπέμπει σε μεγαλύτερη σκληρότητα. Είναι λοιπόν προφανές ότι η σκληρότητα του αποτυπώματος δεν είναι ίδια σε όλη την επιφάνειά του. Στο κέντρο του αποτυπώματος παρατηρείται μεγάλη σκληρότητα ενώ στην περιφέρειά του η επικάλυψη είναι αισθητά πιο μαλακή. Αντίστοιχη μελέτη έγινε και για άλλες περιπτώσεις. Στο σχήμα 5.9 περιγράφονται τα αποτελέσματα. Το πρώτο διάγραμμα του σχήματος παρουσιάζει τους μέσους όρους των μετρήσεων που έγιναν στην περιοχή αποτυπώματος που προέκυψε μετά από δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης με δύναμη 30 dan. Οι μετρήσεις πάλι ομαδοποιήθηκαν σε δύο περιοχές. Το δεύτερο διάγραμμα αναφέρεται στις μετρήσεις του αποτυπώματος που προέκυψε από κρούση με φορτίο 60 dan και το οποίο ήδη περιγράφηκε αναλυτικά στο σχήμα 5.8. Τέλος το τρίτο διάγραμμα του σχήματος παρουσιάζει τις καμπύλες νανοδιείσδυσης των μετρήσεων σε αποτύπωμα κρούσης φορτίου 90 dan. Και στις τρεις περιπτώσεις τα αποτελέσματα είναι πανομοιότυπα. Τα βάθος διείσδυσης στο κέντρο του αποτυπώματος είναι μικρότερο από ότι στην περιφέρεια αυτού, κάτι που αποδεικνύει ότι το αποτύπωμα που προκύπτει όταν η επικάλυψη υπόκειται σε δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης έχει μεγαλύτερη σκληρότητα στο κέντρο του κρατήρα. Επιπλέον, από τα διαγράμματα του σχήματος 5.10 είναι εμφανές, ότι οι μέσοι όροι των μετρήσεων σε κάθε περίπτωση για τις δύο περιοχές είναι πάντα εκατέρωθεν από τον μέσο όρο του βάθους διείσδυσης (διακεκομμένη ευθεία) που υπολογίζεται σε μία περιοχή της επικάλυψης εκτός του αποτυπώματος και ο οποίος είναι πάντα σταθερός στα 170 nm. Σχήμα 5.10: Σκληρότητα της επικάλυψης όπως προέκυψε από διαδικασία νανοδιείσδυσης στο κέντρο και την περιφέρεια αποτυπωμάτων δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης για φορτίο 30, 60 και 90 dan και αριθμό κρούσεων

48 5. Μελέτη συμπεριφοράς DVD επικαλύψεων, μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης και της δοκιμασίας νανοδιείσδυσης Από το σχήμα 5.10 παρατηρείται ότι καθώς μεγαλώνει η δύναμη κρούσης μεγαλώνει και η διαφοροποίηση της σκληρότητας για τις δύο περιοχές. Στο αποτύπωμα που προέκυψε από κρούση 30 dan, υπάρχει διαφοροποίηση της σκληρότητας αλλά η διαφορά αριθμητικά δεν είναι ιδιαίτερα μεγάλη. Έπειτα από φόρτιση όμως με 60 dan παρατηρείται αύξηση της διαφοράς στις δύο περιοχές στα nm, ενώ αυξάνοντας ακόμα περισσότερο τη δύναμη κρούσης στα 90 dan, βλέπουμε να αυξάνεται και η διαφορά του βάθους διείσδυσης στο κέντρο και στην περιφέρεια στα nm. Η διακεκομμένη γραμμή του σχήματος αντιστοιχεί στο βάθος διείσδυσης της επικάλυψης πριν τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης. Η ίδια μελέτη εξέλιξης της σκληρότητας στην περιοχή των αποτυπωμάτων που προέκυψαν από δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης, πραγματοποιήθηκε και για την περίπτωση 10 6 κρούσεων. Η καμπύλες νανοδιείσδυσης για όλες τις δυνάμεις κρούσης παρουσιάζονται στο σχήμα Όπως και στα αποτυπώματα των κρούσεων, η σκληρότητα δεν παραμένει ίδια σε όλη την επιφάνεια του αποτυπώματος και επιπλέον είναι και διαφορετική από την ονομαστική τιμή της σκληρότητας σε μία περιοχή της επικάλυψης που δεν έχει καταπονηθεί. Οι συμπεριφορές που παρατηρούνται για καταπόνηση κρούσεων και για κρούσεις είναι πανομοιότυπες. Στο κέντρο του αποτυπώματος η επικάλυψη εμφανίζει μεγαλύτερη σκληρότητα σε σχέση με της περιφέρεια του, ανεξαρτήτως φορτίου. Επιπλέον, αυξάνοντας τη δύναμη κρούσης, παρατηρείται κι αύξηση της διαφοράς του βάθους διείσδυσης ανάμεσα στις δύο περιοχές που έχουν ορισθεί στο αποτύπωμα. Αντίστοιχα αποτελέσματα παρουσιάζονται και μέσα από το ραβδοδιάγραμμα του σχήματος Η απεικόνιση του βάθους διείσδυσης για κάθε περιοχή στο διάγραμμα αυτό κάνει ιδιαίτερα εμφανή την αύξηση της διαφοράς της σκληρότητας στο κέντρο και πέρα από αυτό καθώς αυξάνεται η δύναμη κρούσης. Η διακεκομμένη γραμμή αντιστοιχεί και πάλι στο βάθος διείσδυσης που επιτυγχάνεται για νανοδιείσδυση στην επικάλυψη όπως αυτή εναποτέθηκε. Όπως και στα αποτελέσματα που προέκυψαν στα αποτυπώματα των κρούσεων, καθώς αυξάνεται το φορτίο των κρούσεων μεγιστοποιείται η διαφοροποίηση της σκληρότητας στο κέντρο και στην περιφέρεια του αποτυπώματος. Στο σχήμα 5.13, παρουσιάζονται συγκεντρωτικά σε ένα τρισδιάστατο διάγραμμα, τα αποτελέσματα του βάθους διείσδυσης και κατ επέκταση της σκληρότητας της επικάλυψης όπως αυτή διαφοροποιείται συναρτήσει του φορτίου που εφαρμόζεται κατά την κρούση και για διάφορους αριθμούς κρούσεων. Από την τρισδιάστατη αυτή απεικόνιση είναι εύκολα κατανοητό ότι αυξάνοντας τη δύναμη κρούσης το μέγιστο βάθος διείσδυσης του νανοϊντέντορα διαφοροποιείται. Για το κέντρο του αποτυπώματος μειώνεται, ενώ για την περιφέρεια αυτού παρατηρείται αύξηση του βάθους. Αντίθετα το βάθος διείσδυσης παραμένει το ίδιο ανεξάρτητα με τον αριθμό κρούσεων που εφαρμόζονται. Αυτό επιβεβαιώνει το συμπέρασμα που προέκυψε νωρίτερα, ότι δεν μεταβάλλονται οι ιδιότητες της επικάλυψης λόγω της επαναλαμβανόμενης κρούσης. 38

49 5. Μελέτη συμπεριφοράς DVD επικαλύψεων, μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης και της δοκιμασίας νανοδιείσδυσης Σχήμα 5.11: Καμπύλες νανοδιείσδυσης από μετρήσεις στο κέντρο και την περιφέρεια αποτυπωμάτων, τα οποία προέκυψαν έπειτα από δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης για φορτίο 30, 60 και 90 dan και 10 6 κρούσεις. 39

50 5. Μελέτη συμπεριφοράς DVD επικαλύψεων, μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης και της δοκιμασίας νανοδιείσδυσης Σχήμα 5.12: Σκληρότητα της επικάλυψης όπως προέκυψε από διαδικασία νανοδιείσδυσης στο κέντρο και την περιφέρεια αποτυπωμάτων δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης για φορτίο 30, 60 και 90 dan και 10 6 κρούσεις. Σχήμα 5.13: Τρισδιάστατη απεικόνιση του μέγιστου βάθους διείσδυσης συναρτήσει της δύναμης κρούσης και του αριθμού των κρούσεων που εφαρμόστηκαν για δύο περιοχές του αποτυπώματος. 40

51 5. Μελέτη συμπεριφοράς DVD επικαλύψεων, μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης και της δοκιμασίας νανοδιείσδυσης Στο σχήμα 5.14 παρουσιάζεται το εύρος των μετρήσεων του βάθους διείσδυσης καθώς μετακινούμαστε από το κέντρο του αποτυπώματος προς την περιφέρειά του και για τα τρία φορτία που εφαρμόστηκαν και για διάφορους αριθμούς κρούσεων. Καθώς κινούμαστε από το κέντρο του αποτυπώματος στην περιφέρεια αυτού, το βάθος διείσδυσης αυξάνεται αισθητά δεν διαφοροποιείται όμως ιδιαίτερα για κανένα φορτίο λόγω της αύξησης των κρούσεων. Σχήμα 5.14: Εύρος μετρήσεων του μέγιστου βάθους διείσδυσης για κάθε ένα από τα φορτία που εφαρμόστηκαν. Από τα παραπάνω λοιπόν συμπεραίνουμε ότι η δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης δεν οφείλεται για τυχόν μεταβολή των ιδιοτήτων μιας επικάλυψης. Ο λόγος αστοχίας της επικάλυψης που υποβάλλεται σε δοκιμασία κρούσης έγκειται στις τάσεις που αναπτύσσονται σε αυτή κατά τη φόρτιση. Κατά τη διάρκεια της κρούσης, η επικάλυψη φορτίζεται ελαστικά, ενώ το υπόστρωμα περνάει στην πλαστική περιοχή. Παρασύρει λοιπόν μαζί του και το υπόστρωμα, και το αναγκάζει σε θλιπτικές τάσεις στο κέντρο του αποτυπώματος και σε εφελκυστικές στην περιφέρειά του και οι φορτίσεις αυτές οδηγούν σε αστοχία της επικάλυψης. 41

52 6. Δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες 6. Δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες 6.1 Διάταξη δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης Ο κύριος όγκος πειραμάτων της παρούσας εργασίας προκειμένου να χαρακτηριστούν οι ιδιότητες κόπωσης των επικαλύψεων και να προσδιοριστεί η εξέλιξη της φθοράς τους, πραγματοποιήθηκε στο δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες. Πρόκειται για μία ειδική διάταξη, η οποία εξελίχθηκε για τον σκοπό αυτό από το ΕΕΔΜ σε συνεργασία με τη γερμανική εταιρία CemeCon AG. Στο σχήμα 6.1 φαίνεται το σύνολο της πειραματικής διάταξης που χρησιμοποιείται στο εργαστήριο εργαλειομηχανών και διαμορφωτικής μηχανολογίας ΕΕΔΜ. Σχήμα 6.1: Δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες. 6.2 Διάταξη θέρμανσης του δοκιμίου Για τη διεξαγωγή πειραμάτων κρουστικής δοκιμασίας σε υψηλές θερμοκρασίες, διαμορφώθηκε ειδική διάταξη για τη θέρμανση των δοκιμίων. Το δοκιμαστήριο κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες αποτελεί μια επέκταση του κρουστικού δοκιμαστηρίου το οποίο περιγράφηκε στο κεφάλαιο 4. Τα λειτουργικά μέρη διατηρούνται ίδια, έχουν όμως προσαρμοστεί σε αυτό συσκευή θέρμανσης και έχουν γίνει κάποιες κατασκευαστικές αλλαγές ώστε να συνεργάζονται μεταξύ τους. Το προς μελέτη δοκίμιο τοποθετείται πάνω σε βωμό και συγκρατείται με ειδικό συγκρατητή. Ο βωμός βρίσκεται στο κέντρο μίας σπειροειδούς αντίστασης και το όλο 42

53 6. Δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες σύστημα περιβάλλεται από ειδικό μονωτικό υλικό, επιτυγχάνοντας υψηλές θερμοκρασίες χωρίς απώλειες ενέργειας στο περιβάλλον, σχήμα 6.2. Σχήμα 6.2: Φούρνος θέρμανσης του δοκιμίου. Κάτω από το πλακίδιο τοποθετείται θερμοστοιχείο συνδεδεμένο με σύστημα ελέγχου (IP Controler), το οποίο ελέγχει διαρκώς τη θερμοκρασία και συνεργάζεται με το τροφοδοτικό της αντίστασης, ώστε να διατηρείται πάντα η επιθυμητή θερμοκρασία σταθερή. Σχήμα 6.3: Διάταξη θέρμανσης του δοκιμίου, κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες. Αναλυτικό σκαρίφημα της διάταξης θέρμανσης παρουσιάζεται στο σχήμα 6.3, στο οποίο διακρίνονται ο βωμός τοποθέτησης του πλακιδίου ανάμεσα στις αντιστάσεις και γύρω από αυτά το μονωτικό υλικό το οποίο εξασφαλίζει την απώλεια ενέργειας. Κάτω από το πλακίδιο τοποθετείται μόνιμα θερμοστοιχείο ειδικό το οποίο ελέγχει και ρυθμίζει διαρκώς τη θερμοκρασία του πλακιδίου κατά τη διάρκεια της 43

54 6. Δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες δοκιμασίας. Ένα δεύτερο θερμοστοιχείο το οποίο προσαρμόζεται προς έλεγχο στην πάνω επιφάνεια του πλακιδίου, έχει δείξει ότι η θερμοκρασία στην κάτω πλευρά του δοκιμίου η οποία ελέγχεται συνέχεια, είναι ίδια με τη θερμοκρασία στο σημείο επαφής με τον εισβολέα. Μεγάλος αριθμός πειραμάτων οδήγησε στην ανάγκη παροχής αέρα στο σημείο επαφής του διεισδυτή με την επικάλυψη, ώστε να απομακρύνονται τυχόν υπολείμματα του εισβολέα. Έτσι, διαμορφώθηκε από το Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας ειδική διάταξη, η οποία θερμαίνει τον αέρα και τον διοχετεύει στο σημείο της κρούσης (σχήμα 6.3). Στο σχήμα 6.1, στο οποίο διακρίνεται η συνολική διάταξη του δοκιμαστηρίου κρούσης εν θερμώ, φαίνεται η διάταξη θέρμανσης του αέρα και το σωληνάκι διοχέτευσης του στο σημείο κρούσης. Ένα θερμοστοιχείο είναι συνδεδεμένο διαρκώς με τη συσκευή. Η θερμοκρασία του κάθε φορά ρυθμίζεται ίδια με αυτή του πειράματος και διατηρείται σταθερή καθόλη τη διάρκεια της δοκιμής. Ένα δεύτερο σύστημα ελέγχου (IP Controler) συνδέεται με τη διάταξη και ρυθμίζει την επιθυμητή θερμοκρασία. Έτσι εξασφαλίζεται ο αέρας που διοχετεύεται να έχει την ίδια θερμοκρασία με το πλακίδιο. Σχήμα 6.4: Διάταξη παροχής θερμού αέρα στο σημείο κρούσης προς απομάκρυνση τυχόν υπολειμμάτων του εισβολέα, κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες. 6.3 Σφαιρικός διεισδυτής Αρχικά ο διεισδυτής που χρησιμοποιήθηκε στη διεξαγωγή των πειραμάτων ήταν σφαίρα σκληρομετάλλου K20. Παρουσιάστηκε όμως πρόβλημα, λόγω αστοχίας της σφαίρας σε υψηλές θερμοκρασίες. Το υλικό της σφαίρας λόγω της θερμοκρασίας, των μεγάλων δυνάμεων που εφαρμόζονται και του μεγάλου αριθμού των κρούσεων αστοχεί και σταδιακά αρχίζει να παραμένει πάνω στο αποτύπωμα. Αποτέλεσμα είναι, τα αποτυπώματα που δημιουργούνται σε κάθε πείραμα να είναι καλυμμένα με υλικό 44

55 6. Δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες από τη σφαίρα και να μην είναι ευδιάκριτα προς μελέτη και αξιολόγηση. Έγιναν διάφορες προσπάθειες να παρθούν καθαρότερα αποτυπώματα, διοχετεύοντας αέρα στο σημείο της κρούσης (παράγραφος 6.1.3) με σκοπό να απομακρύνονται τα υπολείμματα της σφαίρας, αλλά το αποτέλεσμα και πάλι δεν ήταν ικανοποιητικό. Προκειμένου λοιπόν, να ξεπεραστεί το πρόβλημα αστοχίας της σφαίρας ώστε να είναι τα αποτελέσματα αξιόπιστα και εύκολα αναγνωρίσιμα, χρησιμοποιήθηκε κεραμική σφαίρα Si 3 N 4 διαμέτρου 5mm. Η κεραμική σφαίρα έχει καλύτερη συμπεριφορά και σε συνδυασμό με την παροχή αέρα στο σημείο κρούσης ώστε να απομακρύνονται τα υπολείμματα της σφαίρας που προκύπτουν, επιτεύχθηκε ένα πολύ ικανοποιητικό αποτέλεσμα. Τα αποτυπώματα είναι καθαρά και ευδιάκριτα. Επιπλέον τα συστατικά από τα οποία συντίθεται η σφαίρα δεν υπάρχουν ούτε στο υπόστρωμα ούτε στην πλειονότητα των επικαλύψεων των κοπτικών πλακιδίων στα οποία γίνονται τα πειράματα, οπότε δεν υπάρχει καμία πιθανότητα σύγχυσης κατά την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Στο σχήμα 6.5, παραθέτονται δύο αποτυπώματα από πειράματα που έγιναν στις ίδιες συνθήκες, δύναμη, θερμοκρασία και αριθμός κρούσεων. Το αποτύπωμα της αριστερής φωτογραφίας προέκυψε από πείραμα που πραγματοποιήθηκε με μπάλα σκληρομετάλλου. Σχήμα 6.5: Αστοχία του σφαιρικού διεισδυτή κατά την επαναλαμβανόμενη κρούση σε υψηλές θερμοκρασίες. Είναι εμφανές το λευκό στρώμα υλικού που καλύπτει το αποτύπωμα και το οποίο είναι υπολείμματα του σφαιρικού διεισδυτή, ο οποίος αστοχεί κατά την κρούση και 45

56 6. Δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες κολλάει πάνω στην επικάλυψη. Στο δεξί τμήμα του ίδιου σχήματος όμως, φαίνεται το αποτύπωμα που προέκυψε χρησιμοποιώντας κεραμική σφαίρα. Το αποτύπωμα είναι ιδιαίτερα καθαρό έχοντας μόνο ένα σημειακό υπόλειμμα του διεισδυτή, μαύρου χρώματος. Στις μικροφωτογραφίες SEM των αποτυπωμάτων στις οποίες βασίζεται ουσιαστικό τμήμα της αξιολόγησης αντοχής των επικαλύψεων, η αστοχία της επικάλυψης λόγω διαφορετικού υλικού του υποστρώματος και διαφορετικού επιπέδου εμφανίζεται με άσπρο χρώμα (σχήμα 4.13). Το γεγονός λοιπόν ότι τα υπολείμματα της σφαίρας σκληρομετάλλου εμφανίζονται επίσης με άσπρο χρώμα είναι λογικό ότι θα οδηγούσαν σε ουσιαστική σύγχυση. Χρησιμοποιώντας λοιπόν την κεραμική σφαίρα αποφεύγονται τέτοιου είδους προβλήματα. 46

57 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμής επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σε αρκετές υπάρχουσες εργασίες έχει γίνει σημαντική μελέτη διαφόρων επικαλύψεων με τη χρήση του δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης και είναι ήδη γνωστή η χρησιμότητά του στην εξαγωγή ιδιοτήτων των επικαλύψεων. Όλες όμως οι υπάρχουσες δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασία δωματίου. Μπορεί σημειακά κατά την κρούση να υφίσταται παροχή μηχανικής ενέργειας η οποία θα μπορούσε να μετατραπεί σε θερμότητα, αλλά κάτι τέτοιο δεν λαμβάνονταν υπόψιν και σίγουρα δεν πλησιάζει τα θερμοκρασιακά πεδία που αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια μιας κατεργασίας. Οι επικαλύψεις όμως στα κοπτικά εργαλεία υποβάλλονται σε υψηλά μηχανικά και θερμικά φορτία, ειδικά σε υψηλές ταχύτητες κοπής. Η διερεύνηση των φαινομένων που λαμβάνουν χώρα κάτω από τέτοιες συνθήκες είναι κρίσιμης σημασίας για να επεξηγηθεί η αστοχία της επικάλυψης και η έναρξη της φθοράς. Λόγω αυτής της ανάγκης εξελίχθηκε το δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης που περιγράφηκε ήδη (σχήμα 6.1). Σχήμα 7.1: Επικαλύψεις οι οποίες υποβλήθηκαν σε δοκιμή κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Μέσω εξέλιξης του δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης κατέστη δυνατή η διεξαγωγή πειραμάτων σε υψηλές θερμοκρασίες /28/. Εκμεταλλευόμενοι αυτή την τεχνική, πειράματα επαναλαμβανόμενης κρούσης πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασίες μέχρι και τους 600 o C, με σκοπό να διερευνηθεί η αντοχή των PVD 47

58 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες επικαλύψεων σε επαναλαμβανόμενη κρούση. Μικροφωτογραφικές παρατηρήσεις (SEM) και αναλύσεις EDX διευκολύνουν την παρατήρηση της έναρξης της αστοχίας της επικάλυψης καθώς επίσης και την εξέλιξή της. Προκειμένου να μελετηθεί η συμπεριφορά επικαλύψεων σε υψηλές θερμοκρασίες χρησιμοποιήθηκε μεγάλο πλήθος δοκιμίων με πολλές επικαλύψεις διαφορετικής σύστασης, ώστε να υπάρξει ικανοποιητικός αριθμός αποτελεσμάτων προς σύγκριση. Στον πίνακα του σχήματος 7.1 παρουσιάζονται όλες οι επικαλύψεις οι οποίες υπέστησαν τη δοκιμή κρούσης τα αποτελέσματα της οποίας παρουσιάζονται στην συνέχεια. 7.1 Μελέτη Συμπεριφοράς επικάλυψηςtialn (TINALOX) Μία από τις πιο συχνά απαντόμενες οικογένειες επικαλύψεων είναι τα νιτρίδια Τιτανίου TiN. Η επικάλυψη TiAlN γνωστή ως TINALOX, απαντάται ιδιαίτερα συχνά στα κοπτικά εργαλεία. Προκειμένου να μελετηθεί η εξέλιξη της φθοράς πραγματοποιήθηκε πλήθος πειραμάτων στο δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες. Στο σχήμα 7.2 παρουσιάζεται μεγάλο μέρος των πειραμάτων του έγιναν. Οι μικροφωτογραφίες SEM δίνουν εύκολα την δυνατότητα να παρακολουθηθεί η εξέλιξη αστοχίας της επικάλυψης, καθώς το άσπρο χρώμα αντιστοιχεί στο υπόστρωμα, και κατ επέκταση σε αστοχία της επικάλυψης. Ξεκινώντας από ένα φορτίο αυξάνεται διαδοχικά η δύναμη μέχρι να αναγνωρισθεί η αστοχία της επικάλυψης. Όλα τα πειράματα αντιστοιχούν σε 10 6 κρούσεις και καθένα από αυτά διαρκεί 5 ώρες και 30 λεπτά. Με έναν πρώτο οπτικό έλεγχο είναι εύκολα αναγνωρίσιμη η ιδιαίτερα καλή αντοχή της επικάλυψης στους 100 ο C αφού έχει αντέξει σε φορτίο 1200 Ν, σε αντίθεση με τη θερμοκρασία δωματίου που αστοχεί στα 500 Ν. Οι μικροφωτογραφίες που πάρθηκαν από το σαρωτικό μικροσκόπιο SEM, επεξεργάστηκαν μέσω του αλγορίθμου WEPROC και προσδιορίστηκε το ποσοστό αστοχίας της επικάλυψης FR% σε κάθε περίπτωση. Ο προσδιορισμός της φθοράς της επικάλυψης κατά τη δοκιμασία της επαναλαμβανόμενης κρούσης για θερμοκρασίες μέχρι τους 600 ο C σε σχέση με την εφαρμοζόμενη δύναμη κρούσης παρουσιάζεται στο σχήμα 7.3. Κάθε σημείο του σχήματος αντιστοιχεί σε πειράματα 10 6 κρούσεων. Το ποσοστό αστοχίας της επικάλυψης FR, κάτω από διάφορες θερμοκρασίες λειτουργίας, συλλέγει το ποσοστό αφαίρεσης της επικάλυψης σε συνάρτηση με την δύναμη κρούσης. Η χειρότερη συμπεριφορά εμφανίζεται στους 20 o C ενώ η καλύτερη την περιοχή μεταξύ των 100 o C και 200 o C. Για την περιοχή των θερμοκρασιών μεταξύ των 100 ο C και 200 ο C το φορτίο μπορεί να φτάσει μέχρι και τα 120 dan ώστε να έχουμε την ολική αστοχία της επικάλυψης (FR = 100%) μετά από 10 6 κρούσεις. 48

59 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 7.2: Μικροφωτογραφίες SEM των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσεις, σε επικάλυψη TINALOX για διάφορες θερμοκρασίες και δυνάμεις κρούσης. Συγκεντρωτικά αποτελέσματα των παραπάνω πειραμάτων επαναλαμβανόμενης κρούσης για τα φορτία των δυνάμεων στα οποία το ποσοστό αστοχίας της επικάλυψης είναι μικρότερο ή ίσο με 3% (FR 3%) παρουσιάζονται στο σχήμα 7.4. Η αύξηση της αντοχής σε κόπωση της επικάλυψης είναι εμφανής μέσω μιας αύξησης της θερμοκρασίας μέχρι τους 150 o C περίπου. Η κρίσιμη δύναμη κρούσης που αντιστοιχεί σε ποσοστό αστοχίας της επικάλυψης FR ίσο με 3%, αυξάνει από 50 dan σε θερμοκρασία δωματίου σε περισσότερο από 100 dan. Μια επιπρόσθετη αύξηση της θερμοκρασίας πάνω τους 150 o C οδηγεί σε μια βαθμιαία μείωση του κρίσιμου φορτίου, και αυτό μπορεί να παρατηρηθεί καθαρά στις θερμοκρασίες των 300 o C, 400 o C και 600 o C, καθώς το κρίσιμο φορτίο μειώνεται μη γραμμικά σε 50, 70 και 60 dan αντίστοιχα. 49

60 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 7.3: Ποσοστά αστοχίας των επικαλύψεων μετά από 10 6 κρούσεις σε διάφορες θερμοκρασίες και φορτία. Τα πειραματικά αποτελέσματα για την συμπεριφορά της επικάλυψης στην δοκιμασία της επαναλαμβανόμενης κρούσης μετά από 10 6 κρούσεις και για ποσοστό αστοχίας της μέχρι το 3% (FR<3%) παρουσιάζονται στις μικροφωτογραφίες SEM στο κάτω μέρος του σχήματος. Η αύξηση του ποσοστού αστοχίας της επικάλυψης FR μετά την έναρξη της αστοχίας είναι λιγότερο έντονη στην περιοχή των θερμοκρασιών μεταξύ των 100 o C και 200 o C, σε σύγκριση με όλες τις υπόλοιπες θερμοκρασίες, για την ίδια αύξηση της δύναμης κρούσης ίση με 10 dan, πάνω από το αντίστοιχο κρίσιμο φορτίο. Επιπλέον, η επικάλυψη μπορεί να αντέξει σε μεγαλύτερο αριθμό κρούσεων στην περιοχή των θερμοκρασιών μεταξύ των 100 o C και 200 o C, μέχρι να έχουμε την ολική αστοχία της επικάλυψης (FR=100%). 50

61 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 7.4: Κρίσιμη δύναμη κρούσης και τάση διαρκούς αντοχής, σε συνάρτηση με την θερμοκρασία της εξεταζόμενης επικάλυψης. 51

62 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Η βαθμιαία αύξηση της αντοχής σε κόπωση των επικαλύψεων οδηγεί ταυτόχρονα και σε αύξηση των μηχανικών ιδιοτήτων για θερμοκρασίες μέχρι τους 150 o C. Αυτή η επίδραση μπορεί να εξηγηθεί μέσω των μετακινήσεων των αταξιών, οι οποίες αναπτύσσονται μέσα στην επικάλυψη κατά τη διαδικασία εφαρμογής φορτίου και την επιβράδυνση της έναρξης του σχηματισμού συγκεντρώσεων τους (πυρηνώσεις) /72/. Αυτό οδηγεί σε αύξηση του ορίου διαρροής για θερμοκρασίες μέχρι τους 150 o C. Πάνω από αυτή τη θερμοκρασία, μηχανισμοί διάχυσης ελευθέρων ατόμων ανταγωνιστικοί των μετακινήσεων των αταξιών διευκολύνουν την δημιουργία πυρηνώσεων και μειώνουν την αντοχή σε κόπωση μέχρι την θερμοκρασία των 300 ºC. Επιπλέον, μέχρι τους 400 o C, οι μηχανικές ιδιότητες των εξεταζόμενων επικαλύψεων βελτιώνονται λόγω της αύξησης της κινητικής ενέργειας των ατόμων και επιπλέον επιβραδύνεται η δημιουργία πυρηνώσεων. Πάνω από τους 400 ο C και μέχρι τους 600 ο C, μηχανισμοί οξείδωσης οδηγούν στην δημιουργία ενός εξωτερικού στρώματος Al 2 O 3 και ενός εσωτερικού στρώματος TiO 2 με μειωμένες μηχανικές ιδιότητες /58,74/, επηρεάζοντας τις μηχανικές ιδιότητες της επικάλυψης και την αντοχή σε επαναλαμβανόμενη κρούση. Η χειροτέρευση της αντοχής σε κρούση της επικάλυψης δεν είναι γραμμική, όπως είναι εμφανές κι από το πρώτο διάγραμμα του σχήματος 7.4. Την ίδια ακριβώς συμπεριφορά παρουσιάζουν και οι τάσεις διαρκούς αντοχής της επικάλυψης συναρτήσει της θερμοκρασίας όπως φαίνεται στο δεύτερο διάγραμμα του ίδιου σχήματος. Οι μικροφωτογραφίες που παραθέτονται στο κάτω τμήμα του σχήματος αντιστοιχούν στα κρίσιμα φορτία από τα οποία προέκυψε το αντίστοιχο διάγραμμα της δύναμης κρούσης συναρτήσει της θερμοκρασίας. Οι σχετικοί κρατήρες για τις μέγιστες δυνάμεις ανά θερμοκρασία, ποσοστού αστοχίας μικρότερου του 3%, φαίνεται στην πρώτη σειρά φωτογραφιών. Στη δεύτερη σειρά φωτογραφιών εμφανίζονται οι σχετικοί κρατήρες, για δυνάμεις ανά θερμοκρασία, κατά 10 dan μεγαλύτερες, συγκριτικά με τις αντίστοιχες της προηγούμενης σειράς. Είναι αντιληπτό, ότι σε θερμοκρασίες στις περιοχές των τοπικών ελαχίστων, η αύξηση αυτή της δύναμης κρούσης μπορεί να προκαλέσει ολική καταστροφή της επικάλυψης (FR=100%), ενώ στα τοπικά μέγιστα, η επικάλυψη είναι πιο ανθεκτική σε αυξήσεις της φόρτισης. Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω αποτελέσματα και εφαρμόζοντας το λογισμικό πακέτο ITEC+ /59/, προσδιορίστηκαν τα διαγράμματα Woehler για πειράματα επαναλαμβανόμενης κρούσης σε θερμοκρασίες μέχρι και τους 200 o C (σχήμα 7.5). Το μέτρο ελαστικότητας της επικάλυψης αλλά και του υποστρώματος στους σχετικούς υπολογισμούς καθορίστηκαν χρησιμοποιώντας την μεθοδολογία που περιγράφεται στην βιβλιογραφία /34/ σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, βασιζόμενοι στα αποτελέσματα της νανοσκληρομέτρησης. Τα δεδομένα αυτά θεωρήθηκαν σταθερά για θερμοκρασίες μέχρι και τους 200 o C /74,89/. Επιπλέον, στους 200 ο C, το όριο διαρροής και οι κλίσεις των εφαπτομενικών μέτρων πλαστικότητας αυξήθηκαν με ποσοστό ανάλογο με αυτό της αύξησης του ορίου διαρκούς αντοχής. Τα διαγράμματα Woehler και οι νέες καμπύλες τάσης παραμόρφωσης εφαρμόστηκαν για να προσδιοριστεί η έναρξη της αστοχίας των επικαλύψεων στο φραιζάρισμα σε διάφορες ταχύτητες κοπής. 52

63 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 7.5: Διαγράμματα Woehler της επικάλυψης για διάφορες θερμοκρασίες. 7.2 Μελέτη συμπεριφοράς της επικάλυψης TiAlN-SN2 Μία άλλη επικάλυψη μετά την Tinalox, η οποία μελετήθηκε είναι αυτή των Supernitride (TiAlN-SN 2 ). Πραγματοποιήθηκε μεγάλος αριθμών πειραμάτων επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες, αντιπροσωπευτικό τμήμα των οποίων παρουσιάζεται στο σχήμα 7.6. Μία πρώτη κατανόηση της εξέλιξης της φθοράς είναι εμφανής από τα αποτυπώματα στις SEM μικροφωτογραφίες. Όπως και στην επικάλυψη Tinalox η επικάλυψη αυτή παρουσιάζει μεγαλύτερη αντοχή σε θερμοκρασία 100 ο C. Ο προσδιορισμός της φθοράς της επικάλυψης SN 2 κατά τη δοκιμασία της επαναλαμβανόμενης κρούσης για θερμοκρασίες μέχρι τους 600 ο C σε σχέση με την εφαρμοζόμενη δύναμη κρούσης παρουσιάζεται στο σχήμα 7.7. Κάθε σημείο του σχήματος αντιστοιχεί σε 10 6 κρούσεις. Το ποσοστό αστοχίας της επικάλυψης FR%, κάτω από διάφορες θερμοκρασίες λειτουργίας, καταγράφει το ποσοστό αφαίρεσης της επικάλυψης σε συνάρτηση με την δύναμη κρούσης. Τα ποσοστά προσδιορίσθηκαν για κάθε μια περίπτωση αστοχίας με τη χρήση του αλγορίθμου WEPROC. Η χειρότερη συμπεριφορά εμφανίζεται στους 300 o C ενώ η καλύτερη την περιοχή μεταξύ των 100 o C και 200 o C. Για την περιοχή των θερμοκρασιών μεταξύ των 100 ºC και 200 ºC το φορτίο μπορεί να φτάσει μέχρι και τα 130 dan προκειμένου να έχουμε την ολική αστοχία της επικάλυψης (FR = 100%) μετά από 10 6 κρούσεις. 53

64 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 7.6: Μικροφωτογραφίες SEM των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσεις, σε επικάλυψη TINALOX SN 2 για διάφορες θερμοκρασίες και δυνάμεις κρούσης. Σχήμα 7.7: Ποσοστά αστοχίας των επικαλύψεων μετά από 10 6 διάφορες θερμοκρασίες και φορτία. κρούσεις σε 54

65 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 7.8: Κρίσιμη δύναμη κρούσης σε συνάρτηση με την θερμοκρασία για την επικάλυψη SN 2. Η καμπύλη που περιγράφει την πορεία αστοχίας της επικάλυψης συναρτήσει της θερμοκρασίας παρουσιάζεται στο σχήμα 7.8.Τα σημεία αντιστοιχούν στην κρίσιμη δύναμη φόρτισης για την αντίστοιχη θερμοκρασία, κατά την οποία είχαμε αρχή της αστοχίας, ποσοστό μικρότερο ή ίσο με το 3% επί του συνολικού αποτυπώματος, ή εμφανή αστοχία. Οι μικροφωτογραφίες SEM που παραθέτονται κάτω από το διάγραμμα αντιστοιχούν στα αξιοπρόσεκτα σημεία και κάνουν πιο κατανοητή την κατάσταση. Σύγκριση των επικαλύψεων SN 2 και TINALOX. 2 Οι επικαλύψεις TINALOX και SN που μελετήθηκαν ήδη ανήκουν στην ίδια οικογένεια και παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον η μεταξύ τους σύγκριση. Το υπόστρωμα και των δύο επικαλύψεων ήταν Κ05 Κ20. Στον πίνακα του σχήματος 7.9α περιγράφονται τα χαρακτηριστικά των εξεταζόμενων επικαλύψεων, καθώς επίσης και μερικά από τα κύρια χαρακτηριστικά του υποστρώματος. Η επικάλυψη TINALOX εναποτέθηκε με τη μέθοδο υψηλού ιονισμού (H.I.S.) με ποσοστά περιεκτικότητας των στοιχείων αλουμινίου και τιτανίου Al/Ti = 54/46%, ενώ η επικάλυψη SN 2 εναποτέθηκε με τη νέα εξελιγμένη διαδικασία εναπόθεσης με ενίσχυση του πλάσματος (Plasmaboosting) με σχεδόν ίδια ποσοστά σε περιεκτικότητα των στοιχείων αλουμινίου και τιτανίου Al/Ti = 53/47%. 55

66 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 7.9: Κύρια χαρακτηριστικά των εξεταζόμενων επικαλύψεων και του υποστρώματος, μικροδομές, καμπύλες νανοσκληρότητας και καμπύλες τάσης παραμόρφωσης των επικαλύψεων και του υποστρώματος. 56

67 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Στο σχήμα 7.9β παρουσιάζονται τομές των μικροδομών των εξεταζόμενων επικαλύψεων. Είναι εμφανές ότι η μικροδομή της επικάλυψης SN 2 διακρίνεται από μια πιο λεπτόκοκκη νανο-κρυσταλλική δομή σε σύγκριση με τη δομή της επικάλυψης TINALOX. Οι μηχανικές ιδιότητες των επικαλύψεων καθώς και του υποστρώματος προσδιορίστηκαν με τη διαδικασία της νανοσκληρομέτρησης και αλγορίθμων που βασίζονται στην προσομοίωση με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων /34,43/. Στο σχήμα 7.9γ παρουσιάζονται οι καμπύλες φόρτισης αποφόρτισης της διαδικασίας νανοσκληρομέτρησης των εξεταζόμενων επικαλύψεων, οι οποίες με μια πρώτη ματιά φαίνονται σχεδόν ίδιες αφού επιτυγχάνεται σχεδόν το ίδιο βάθος διείσδυσης (155 nm). Ωστόσο, οι καμπύλες έχουν σημαντικές διαφορές κυρίως στην πλαστική περιοχή (σχήμα 7.9δ), με την επικάλυψη SN 2 να έχει μεγαλύτερη μηχανική αντοχή. Στο ίδιο σχήμα παρατίθεται και η καμπύλη τάσης παραμόρφωσης του υποστρώματος. Συγκεντρωτικά αποτελέσματα των πειραμάτων επαναλαμβανόμενης κρούσης για τα φορτία, στα οποία το ποσοστό αστοχίας των επικαλύψεων είναι μικρότερο ή ίσο με 3% (FR 3%) παρουσιάζονται στο σχήμα 7.10 τόσο για την επικάλυψη SN 2 (συνεχόμενη γραμμή) όσο και για την επικάλυψη TINALOX που παρουσιάστηκε στο σχήμα 7.4 (διακεκομμένη γραμμή) /46/. Και οι δύο επικαλύψεις παρουσιάζουν πανομοιότυπη συμπεριφορά. Και οι δυο επικαλύψεις παρουσιάζουν αυξημένη αντοχή στους 150 ο C, ενώ σε υψηλότερες θερμοκρασίες η αντοχή σε κόπωση των επικαλύψεων μειώνεται αισθητά. Και οι δυο εξεταζόμενες επικαλύψεις εμφανίζουν ένα δεύτερο μέγιστο σημείο στους 400 ο C. Παρόλα αυτά η δύναμη κρούσης είναι πολύ χαμηλότερη από την αντίστοιχη των 150 ο C και φτάνει τα 80 και 70 dan για την επικάλυψη SN 2 και TINALOX αντίστοιχα. Η αύξηση του ποσοστού αστοχίας των επικαλύψεων μετά την έναρξη της αστοχίας είναι λιγότερο έντονη στις θερμοκρασίες κρούσης μεταξύ των 100 o C και 200 o C, σε σύγκριση με τις υπόλοιπες θερμοκρασίες, διατηρώντας το ίδιο φορτίο που είναι 10 dan πάνω από το αντίστοιχο κρίσιμο φορτίο σε όλες τις περιπτώσεις. Επιπλέον, η επικάλυψη μπορεί να αντέξει μεγαλύτερο αριθμό κρούσεων σε θερμοκρασίες που κυμαίνονται μεταξύ των 100 o C και 150 o C, μέχρι να έχουμε την ολική αστοχία (FR=100%). Η βαθμιαία αύξηση της αντοχής σε κόπωση των επικαλύψεων οδηγεί ταυτόχρονα και σε αύξηση των μηχανικών ιδιοτήτων για θερμοκρασίες μέχρι τους 150 o C. Αυτή η επίδραση μπορεί να εξηγηθεί μέσω των μετακινήσεων των αταξιών, οι οποίες αναπτύσσονται μέσα στην επικάλυψη κατά τη διαδικασία εφαρμογής φορτίου και την επιβράδυνση της έναρξης του σχηματισμού συγκεντρώσεων τους (πυρηνώσεις) /58/. Αυτό οδηγεί σε αύξηση του ορίου διαρροής για θερμοκρασίες μέχρι τους 150 o C. Πάνω από αυτή τη θερμοκρασία, μηχανισμοί διάχυσης ελευθέρων ατόμων ανταγωνιστικοί των μετακινήσεων των αταξιών διευκολύνουν την δημιουργία πυρηνώσεων και μειώνουν την αντοχή σε κόπωση μέχρι την θερμοκρασία των 300 ο C. 57

68 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 7.10: Κρίσιμη δύναμη κρούσης σε συνάρτηση με την θερμοκρασία των εξεταζόμενων επικαλύψεων. Επιπλέον, μέχρι τους 400 o C, οι μηχανικές ιδιότητες των εξεταζόμενων επικαλύψεων βελτιώνονται λόγω της αύξησης της κινητικής ενέργειας των ατόμων και επιπλέον επιβραδύνεται η δημιουργία πυρηνώσεων. Πάνω από τους 400 ο C και μέχρι τους 600 ºC, δεν λαμβάνει χώρα μετασχηματισμός φάσεων /69/. Από την άλλη μεριά, η μείωση της σκληρότητας και η ενεργοποίηση μηχανισμών οξείδωσης /56,74,89/ επηρεάζουν τις μηχανικές ιδιότητες των επικαλύψεων και την αντοχή τους σε επαναλαμβανόμενη κρούση. Τα πειραματικά αποτελέσματα για την συμπεριφορά της επικάλυψης SN 2 στην δοκιμασία της επαναλαμβανόμενης κρούσης παρουσιάζονται στις μικροφωτογραφίες SEM στο ίδιο σχήμα, όπου παρατηρείται η επικάλυψη πριν και μετά την αστοχία της σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία. 7.3 Μελέτη συμπεριφοράς διστρωματικών επικαλύψεων TiN/TiAlN Στην προσπάθεια να αυξηθεί η αντοχή των επικαλύψεων και να βελτιωθεί η απόδοση των κοπτικών εργαλείων κατασκευάζοντας πολυστρωματικές επικαλύψεις, μεγάλος αριθμός πειραμάτων επαναλαμβανόμενης κρούσης πραγματοποιήθηκε στην διστρωματική επικάλυψη TiN/TiAlN προκειμένου να εξετασθεί η εξέλιξης της φθοράς για τις διάφορες θερμοκρασίες. Η μελέτη της επικάλυψης αυτής θα πραγματοποιηθεί σε σύγκριση με την προαναφερθείσα SN 2, με σκοπό να είναι εμφανής η παρόμοια ή μη συμπεριφορά τους και η διαφοροποίηση της διστρωματικής από την μονοστρωματική επικάλυψη. 58

69 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 7.11: Ελαστοπλαστικές ιδιότητες των επικαλύψεων και του υποστρώματος που χρησιμοποιήθηκαν. Στο σχήμα 7.11 παρουσιάζονται οι βασικές ελαστοπλαστικές ιδιότητες των εφαρμοζόμενων επικαλύψεων καθώς και τα αντίστοιχα δεδομένα για το υπόστρωμα το οποίο και στις δύο ομάδες πλακιδίων είναι Κ05 Κ20. Η επικάλυψη σούπερνιτρίδιο SN 2 προαναφέρθηκε στην προηγούμενη παράγραφο /47/. Το TiN/TiAlN υμένιο αποτελείται από μια μικροδομή SN 2 επικάλυψης, που καλύπτεται από ένα εξωτερικό υμένιο (περίπου 1μm) στρώσης TiN. Οι μηχανικές ιδιότητες των εφαρμοζόμενων επικαλύψεων και των υλικών του υποστρώματος προσδιορίστηκαν μέσω νανοδιεισδύσεων και ενός αλγορίθμου βασισμένου στα πεπερασμένα στοιχεία, που διευκολύνει τον καθορισμό των καμπύλων τάσης παραμόρφωσης /34/. Η SN 2 επικάλυψη κατέχει ανώτερο όριο διαρροής S Y αλλά και το όριο θραύσης S M συγκριτικά με την TiN επικάλυψη, ενώ σαν αντιπροσωπευτικές μηχανικές ιδιότητες αντοχής για την TiN/TiAlN θεωρήθηκαν αυτές της SN 2, καθώς παρατηρήθηκε στα πειράματα κοπών αλλά και κρούσης πρώιμη αστοχία του στρώματος της TiN επικάλυψης. Η αντοχή κόπωσης των εφαρμοζόμενων επικαλύψεων μελετήθηκε περαιτέρω με πειράματα επαναλαμβανόμενης κρούσης σε θερμοκρασίες λειτουργίας μέχρι 400 C /35,44/. Αντιπροσωπευτικό δείγμα των μικροφωτογραφιών SEM παρουσιάζονται στο σχήμα

70 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 7.12: Μικροφωτογραφίες SEM των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσεις, σε επικάλυψη TIN/TiAlN για διάφορες θερμοκρασίες και δυνάμεις κρούσης. Σύμφωνα με τις πληροφορίες που προκύπτουν από την μελέτη των μικροφωτογραφιών SEM, και οι δυο επικαλύψεις έχουν μια μη γραμμική σχέση για την αντίσταση σε κρούση συναρτήσει της θερμοκρασίας. Αυτή η τάση μπορεί να παρατηρηθεί στο σχήμα 7.13, όπου παρουσιάζεται η κρίσιμη δύναμη κρούσης συναρτήσει της θερμοκρασίας του πειράματος κρούσης. Η επικάλυψη SN 2 παρουσιάζει αντοχή σε κρούση που αυξάνει με τη θερμοκρασία μέχρι τους 150 C, ενώ πέρα από αυτό το σημείο αποκαλύπτεται μια φθίνουσα τάση του κρίσιμου φορτίου κρούσης. Από την άλλη, το υμένιο TiN/TiAlN αντιστέκεται σε μεγαλύτερο φορτίο κρούσης σε θερμοκρασία δωματίου, η αντοχή σε κρούση όμως μειώνεται σταθερά με αύξηση της θερμοκρασίας μέχρι τους 200 C. Και οι δύο επικαλύψεις παρουσιάζουν ένα δεύτερο μέγιστο αντοχής σε κρούση στους 400 C. Οι λόγοι για την συμπεριφορά της SN 2 σε αντοχή σε κρούση εξηγείται στις /46,47/. Αντίστοιχα αποτελέσματα επικράτησαν και σε τριβολογικά πειράματα σε θερμοκρασίες δωματίου αλλά και ανώτερες /92/. Επιπλέον, είναι αξιοσημείωτο ότι η επικάλυψη TiN/TiAlN, η οποία αποτελείται από ένα υμένιο TiAlN πάχους 3 μm λιγότερο ανθεκτικού και ενός επιφανειακού στρώματος TiN πάχους μόλις 1 μικρόμετρο, κατέχει σημαντικά υψηλότερη αντοχή σε φορτία κρούσης σε θερμοκρασία δωματίου και στους 400 C περίπου. Η συνεισφορά των λεπτών επιφανειακών επικαλύψεων στη βελτίωση της αντοχής σε κρούση της επικάλυψης TiN/TiAlN έχει επίσης αναφερθεί στη /51/. 60

71 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 7.13: Αντοχή σε κρούση των επικαλύψεων συναρτήσει της θερμοκρασίας. Σχήμα 7.14: Προσδιορισμένες τάσεις διαρροής και αντοχής σε κόπωση των επικαλύψεων σε διάφορες θερμοκρασίες. Η αντοχή σε κόπωση S D των επικαλύψεων που μελετήθηκαν υπολογίστηκε με τη χρήση του λογισμικού ITEC + /44/, λαμβάνοντας υπόψιν την εξάρτηση από την κρίσιμη δύναμη κρούσης τα σχετικά αποτελέσματα εκτίθενται στο σχήμα Στους 61

72 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες σχετικούς υπολογισμούς έγινε η υπόθεση ότι το μέτρο ελαστικότητας όλων των επικαλύψεων συναρτήσει της θερμοκρασίας κρούσης όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 7.14, παραμένει σταθερό καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται μέχρι τους 400 C περίπου. Επίσης, θεωρήθηκε ότι ο λόγος μεταξύ του ορίου διαρροής S Y και της αντοχής σε κόπωση S D σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία παραμένει σταθερός και ίσος με τον αντίστοιχο λόγο που υπολογίστηκε σε θερμοκρασία δωματίου για κάθε περίπτωση επικάλυψης. Η συμπεριφορά της αντοχής σε κόπωση έχει σχεδιαστεί στο διάγραμμα στο σχήμα Σύγκριση TiN/TiAlN με επικαλύψεις TINALOX και SN2. Έπειτα από τον λεπτομερή έλεγχο και την παρουσίαση των επικαλύψεων TiN/TiAlN με επικαλύψεις TINALOX και SN 2, γίνεται μία προσπάθεια σύγκρισής τους για την ταύτιση ή όχι των αποτελεσμάτων. Το σχήμα 7.15 παρουσιάζει συγκεντρωτικά τις προδιαγραφές των χρησιμοποιούμενων επικαλύψεων καθώς και τα αντίστοιχα δεδομένα του υποστρώματος. Να σημειωθεί ότι το υπόστρωμα είναι κάθε φορά σκληρομέταλλο Κ05-Κ20. Σχήμα 7.15: Δεδομένα των επικαλύψεων TINALOX, SN 2, TiN/TiAlN και του υποστρώματος αυτών. Οι μηχανικές ιδιότητες των επικαλύψεων και του υποστρώματος προσδιορίστηκαν μέσω νανοδιεισδύσεων και ενός αλγορίθμου που στηρίζεται στα πεπερασμένα στοιχεία (FEM), διευκολύνοντας την εξαγωγή των σχετικών καμπύλων τάσηςπαραμόρφωσης /34/. Η επικάλυψη SN 2 έχει πολύ υψηλό όριο διαρροής (SY) και όριο θραύσης (SM) σε σχέση με τις άλλες, ενώ οι μηχανικές ιδιότητες της TiN/TiAlN παρουσιάζουν ίδιες τιμές με τις ιδιότητες μιας διστρωματικής επικάλυψης. Οι ιδιότητες αυτές είναι μεταξύ των αντίστοιχων των επιμέρους στρωμάτων /17/. 62

73 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Στο σχήμα 7.16 παρουσιάζονται μικροφωτογραφίες SEM στις οποίες διακρίνεται η αστοχία της επικάλυψης, με λευκό χρώμα κι είναι εύκολο να γίνει μία πρώτη εκτίμηση και σύγκριση των επικαλύψεων. Για κάθε ένα από αυτά τα αποτυπώματα έγινε αξιολόγηση μέσω του αλγορίθμου WEPROC και προέκυψε το ποσοστό αστοχίας, το οποίο αναγράφεται σε κάθε φωτογραφία. Το νούμερο που φαίνεται στη δεξιά κάτω γωνία κάθε φωτογραφίας αντιστοιχεί στην δύναμη κρούσης από την οποία προέκυψε το εκάστοτε αποτύπωμα. Αξιολογώντας τα πειραματικά αποτελέσματα προέκυψαν οι καμπύλες εξέλιξης της φθοράς της επικάλυψης για κάθε μία περίπτωση, όπως αυτές φαίνονται στο σχήμα Σχήμα 7.16: Αντιπροσωπευτικό δείγμα νανοφωτογραφιών SEM αποτυπωμάτων δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης για κρίσιμες δυνάμεις και θερμοκρασίες των προς σύγκριση επικαλύψεων. Επιπρόσθετα η δύναμη θραύσης των εξεταζόμενων επικαλύψεων μελετήθηκε στο δοκιμαστήριο κρούσης σε θερμοκρασίες μέχρι 400 o C. Το κρίσιμο φορτίο που οδηγεί στην αστοχία της επικάλυψης αρχίζει μετά από 10 6 κρούσεις και φαίνεται στο σχήμα 7.17 συναρτήσει της θερμοκρασίας. Και οι δύο επικαλύψεις SN 2 και TINALOX παρουσιάζουν μια αυξημένη αντοχή σε κρούση μέχρι τους 150 o C, ενώ πάνω απ αυτή τη θερμοκρασία παρουσιάζεται μια πτωτική τάση. Απ την άλλη, η TiN/TiAlN παρουσιάζει υψηλότερη αντοχή στο φορτίο κρούσης σε θερμοκρασία δωματίου, ενώ μετά μειώνεται σε μια σταθερή σχεδόν τιμή κοντά στους 200 o C. Όλες οι επικαλύψεις παρουσιάζουν ένα δεύτερο μέγιστο της αντοχής τους σε κρούση στους 400 o C, ωστόσο αυτό είναι πολύ χαμηλότερο απ το πρώτο και επιτυγχάνεται για φορτίο 63

74 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες κρούσης των 90, 80 και 70 dan για τις TiN/TiAlN, SN 2 και TINALOX, αντίστοιχα. Σχετικά αποτελέσματα προκύπτουν και από τριβολογικούς ελέγχους σε θερμοκρασίες δωματίου ή υψηλότερες /92/. Σχήμα 7.17: Συγκριτικές καμπύλες της αντοχής των επικαλύψεων σε κρούση συναρτήσει της θερμοκρασίας. 7.4 Μελέτη επικαλύψεων ΤΙΝ και TiAlN Μία ακόμα ομάδα επικαλύψεων της οικογένειας TIN, επικαλυμμένα από άλλη εταιρία παραγωγής επικαλύψεων, μελετήθηκε προκειμένου να εξετασθεί η αντοχή τους. Τα δοκίμια ήταν επικαλυμμένα με τη βασική επικάλυψη ΤΙΝ και με προσμίξεις αλουμινίου. Το πάχος της επικάλυψης σε όλα τα δοκίμια ήταν 3 μm. Αρχικά πραγματοποιήθηκαν νανοσκληρομετρήσεις για τις δύο προς εξέταση επικαλύψεις καθώς και για το υπόστρωμα το οποίο είναι σκληρομέταλλο Κ05-Κ20. Χρησιμοποιήθηκε διεισδυτής Bercovich για μέγιστο φορτίο βύθισης 15 mn. Οι καμπύλες νανοδιείσδυσης παρουσιάζονται στο σχήμα 7.18, ενώ η κάθε καμπύλη αποτελεί το μέσο όρο 40 μετρήσεων /43/. Από τις καμπύλες του διαγράμματος φαίνεται εύκολα ότι το υπόστρωμα είναι πιο μαλακό και από τις δύο επικαλύψεις, αφού παρατηρείται το μεγαλύτερο βάθος διείσδυσης. Από τις επικαλύψεις η πιο μαλακή βρέθηκε η ΤΙΝ, ακολουθεί η TiAlN στην επιφάνεια της οποίας παρατηρήθηκε το μικρότερο βάθος διείσδυσης. 64

75 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 7.18: Καμπύλες νανοδιείσδυσης των εξεταζόμενων επικαλύψεων καθώς και του υποστρώματος. Χρησιμοποιώντας το κατάλληλα εξελιγμένο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων /7,34/, προσδιορίστηκαν οι καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης των επικαλύψεων και του υποστρώματος και παρουσιάζονται στο σχήμα Μπορεί να διαπιστωθεί ότι η επικάλυψη ΤΙΝ έχει το μικρότερο μέτρο ελαστικότητας 520 GPa, και μάλιστα ιδιαίτερα μικρό σε σχέση με την TiAlN που έχει 600 GPa. Στο σύνολο των μηχανικών ιδιοτήτων εμφανίζεται η TiAlN να έχει τις καλύτερες ιδιότητες, ενώ στην TiN αντιστοιχούν οι χαμηλότερες τιμές. Σχήμα 7.19: Καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης των επικαλύψεων και του υποστρώματος. 65

76 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 7.20: Μικροφωτογραφίες SEM των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσεις, σε επικάλυψη TiN για διάφορες θερμοκρασίες και δυνάμεις κρούσης. Μεγάλος αριθμός πειραμάτων επαναλαμβανόμενης κρούσης έλαβαν χώρα για διάφορες θερμοκρασίες προκειμένου να προσδιοριστεί για κάθε θερμοκρασία το φορτίο που οδηγεί στην αστοχία της επικάλυψης. Στα σχήματα που ακολουθούν παρουσιάζονται μικρογραφίες SEM των αποτυπωμάτων που προέκυψαν από την κρούση. Στο σχήμα 7.20, παραθέτονται τα αποτυπώματα των κρούσεων στην επικάλυψη TiN. Διαπιστώνεται εύκολα η αστοχία της επικάλυψης καθώς φαίνεται με άσπρο χρώμα. Η καλύτερη συμπεριφορά παρατηρείται στους 100 ο C ενώ η χειρότερη διαπιστώνεται στους 300 ο C. Αξιοσημείωτο είναι ότι σε αντίθεση με επικαλύψεις που παρουσιάστηκαν στις προηγούμενες παραγράφους, η επικάλυψη αστοχεί απότομα και ολοκληρωτικά, σχεδόν 100% χωρίς να παρατηρούνται κάποια μικρότερα ποσοστά αστοχίας. Στο σχήμα 7.21, παρουσιάζονται τα αποτυπώματα κρούσης στην επικάλυψη TiAlN. Όπως και στην επικάλυψη TiN έχουμε την ίδια τάση καλύτερης αντοχής σε κρούση κοντά στους 100 ο C με αντοχή της επικάλυψης σε 140 dan, ενώ στους 300 ο C η επικάλυψη αστοχεί για μόλις 80 dan. 66

77 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 7.21: Μικροφωτογραφίες SEM των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσεις, σε επικάλυψη TiAlN για διάφορες θερμοκρασίες και δυνάμεις κρούσης. Σχήμα 7.22: Καμπύλη αντοχής σε κρούση για την επικάλυψη TiAlN συναρτήσει της θερμοκρασίας. 67

78 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Από την αξιολόγηση της εξέλιξης της φθοράς προέκυψαν συγκεντρωτικά διαγράμματα. Στο σχήμα 7.22 παρουσιάζεται η καμπύλη αντοχής σε κρούση για την επικάλυψη TiAlN συναρτήσει της θερμοκρασίας. Τα σημεία του διαγράμματος αντιστοιχούν στο ενδιάμεσο των φορτίων για μη αστοχία και για αρχή της αστοχίας. Είναι εμφανές ότι στους 150 ο C παρουσιάζεται εντυπωσιακή βελτιστοποίηση της αντοχής της επικάλυψης ενώ στους 300 ο C αστοχεί γρήγορα /46/. Αντίστοιχες καμπύλες όπως της επικάλυψης TiΝ διαμορφώθηκαν και για την TiΑΙN βασιζόμενοι στα αποτελέσματα επαναλαμβανόμενης κρούσης και παρουσιάζονται και οι δύο μαζί στο άνω διάγραμμα του σχήματος Η συμπεριφορά των επικαλύψεων είναι πανομοιότυπη. Παρουσιάζουν την μεγαλύτερη αντοχή σε κρούση περίπου στους 150 ο C, στη συνέχεια η αντοχή τους χειροτερεύει καθώς αυξάνει η θερμοκρασία, στους 300 ο C αστοχούν για μικρό φορτίο, στη συνέχεια στους 400 ο C παρατηρείται σε όλες τις επικαλύψεις βελτίωση της αντοχής και για περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας έχουμε πάλι μείωση της αντοχής σε κρούση. Σχήμα 7.23: Καμπύλη αντοχής σε κρούση, καθώς και καμπύλες αντοχής σε κόπωση για τις εξεταζόμενες επικαλύψεις, συναρτήσει της θερμοκρασίας. Η αντοχή σε κόπωση SD των επικαλύψεων μέχρι τη θερμοκρασία των 400 ο C, υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας το λογισμικό ITEC+ /37/ και οι καμπύλες που προέκυψαν παρουσιάζονται στο δεύτερο διάγραμμα του σχήματος Η 68

79 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες συμπεριφορά της αντοχής σε κόπωση είναι πανομοιότυπη για όλες τις περιπτώσεις που εξετάζονται και επίσης παρουσιάζουν και την ίδια τάση εξέλιξης με αυτή της δύναμης κρούσης. Οι τρεις επικαλύψεις μελετήθηκαν και συγκρίθηκαν ως προς τη συνάφεια τους μέσω της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης. Κατά την πλάγια κρούση η φόρτιση της επιφάνειας γίνεται ταυτόχρονα σε δύο διευθύνσεις κάθετα κα εφαπτομενικά και παρατηρείται μικροαπόξεση της επιφάνειας. Προκειμένου να εξεταστούν οι επικαλύψεις ως προς τη συνάφειά τους με το υπόστρωμα, πραγματοποιήθηκαν δοκιμασίες πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης /19/. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν υπό κλίση 15 ο για κρούσεις και επιλεκτικά παρουσιάζονται στο σχήμα Για όλα τα αποτυπώματα υπολογίσθηκε το ποσοστό αστοχίας της επικάλυψης FR με χρήση του προγράμματος WEPROC /50/ και αναγράφεται στο κάτω μέρος κάθε φωτογραφίας. Και σε αυτή τη δοκιμασία η επικάλυψη TiAlN είχε την καλύτερη αντοχή σε σχέση με τις άλλες δύο, αφού εμφάνισε το μικρότερο ποσοστό αστοχίας σε όλες τις δυνάμεις που εφαρμόστηκαν. Σχήμα 7.24: Δοκιμασία πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης για τις προς εξέταση επικαλύψεις. 7.5 Μελέτη συμπεριφοράς επικαλύψεων οικογενείας CrAlN Έπειτα από τη συστηματική μελέτη επικαλύψεων που ανήκαν στην οικογένεια των TiN έγινε μία προσπάθεια να μελετηθούν επικαλύψεις διαφορετικής σύστασης με βασικό στοιχείο το Cr. Οι επικαλύψεις που χρησιμοποιήθηκαν ήταν υμένια CrAlN, που περιέχουν επιπρόσθετα στοιχεία (dopants) Zr και Y. Οι καμπύλες τάσηςπαραμόρφωσης και τα κρίσιμα φορτία κόπωσης των επικαλύψεων προσδιορίσθηκαν σε διάφορες θερμοκρασίες μέσω νανοδιεισδύσεων και του δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης αντίστοιχα, εφαρμόζοντας διάφορες διαδικασίες 69

80 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες υποστηριζόμενες με πεπερασμένα στοιχεία για την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Το νιτρίδιο του χρωμίου είναι ένα από τα πιο συνηθισμένα υλικά επικαλύψεων για εφαρμογές χύτευσης, κατεργασιών και μορφοποιήσεων, λόγω των εξαιρετικών του ιδιοτήτων στη σκληρότητα, στην αντοχή στη φθορά και τη διάβρωση /67,80,90/. Για τη βελτίωση της μηχανικής και τριβολογικής απόδοσής του, έχουν εξεταστεί προσμίξεις που περιέχουν άλλο μέταλλο όπως το Al, V, Nb ή Cu /15,60,78,106/. Πρόσφατα έχουν αναπτυχθεί σκληρές επικαλύψεις CrAlN με πιο σταθερή θερμική συμπεριφορά συγκριτικά με τις TiAlN επικαλύψεις /76/. Η επίδραση των στοιχείων κραμάτωσης στο σύστημα TiAlN έχει ευρέως χρησιμοποιηθεί, αλλά μόνο περιορισμένες μελέτες έχουν εστιάσει στο ανάλογο σύστημα με βάση το χρώμιο /68/. Οι επικαλύψεις CrAlN, CrAlZrN και CrAlYN εναποτέθηκαν πάνω σε πλακίδια σκληρομετάλλου K05-K20, μέσω βομβαρδισμού σωματιδίων και της τεχνικής d.c. magnetron sputtering χρησιμοποιώντας έναν εμπορικό εξοπλισμό (CemeCon CC800/8). Η επικάλυψη CrAlN εναποτέθηκε χρησιμοποιώντας τέσσερις στόχους, δύο χρωμίου και δύο αλουμινίου. Για τις επικαλύψεις CrAlZrN και CrAlYN οι στόχοι ήταν δύο από χρώμιο, ένας από αλουμίνιο και ένας από Zr ή Y αντίστοιχα. Τα υποστρώματα είχαν προθερμανθεί στους 180 ο C για 90 λεπτά και για τον καθαρισμό των επιφανειών έγινε βομβαρδισμός ιόντων Αργού (6x10-2Pa, 60 λεπτά, τάση πόλωσης στο υπόστρωμα 120V). Η βασική πίεση στο θάλαμο κενού ήταν περίπου 10-4 Pa. Η ισχύς που εφαρμόστηκε στους στόχους Cr και Al διατηρήθηκε σταθερή στα 3000 W. Η ροή Ar/N2 διατηρήθηκε σταθερή με έναν λόγο στο 1,5. Ο συγκρατητής των δοκιμίων είχε αρνητική τάση πόλωσης στα 110 V και η θερμοκρασία κυμαινόταν μεταξύ 200 και 400 ο C. Τα πάχη των επικαλύψεων ποικίλουν μεταξύ 3 και 4 μm. Στο σχήμα 7.25 αναφέρονται οι φυσικές και χημικές και τριβολογικές ιδιότητες των εξεταζόμενων επικαλύψεων CrAlN, CrAlZrN και CrAlYN. Οι ιδιότητες παραχωρήθηκαν από το εργαστήριο της ισπανικής Inasmet, όπως αναφέρεται λεπτομερώς στην /36/. Η επικάλυψη CrAlYN εμφανίζει τις μεγαλύτερες εναπομένουσες τάσεις, την καλύτερη συνάφεια με το υπόστρωμα και τον χαμηλότερο συντελεστή τριβής με τον χάλυβα (0,47). Σχήμα 7.25: Φυσικές, χημικές και άλλες ιδιότητες των εξεταζομένων επικαλύψεων CrAlN, CrAlZrN και CrAlYN. 70

81 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Οι μηχανικές ιδιότητες των εφαρμοζόμενων επικαλύψεων και του υποστρώματος ανιχνεύθηκαν μέσω νανοδιεισδύσεων που πραγματοποιήθηκαν στην κατάλληλη διάταξη FISCHERSCOPE H100. Για κάθε επικάλυψη, έγιναν 40 μετρήσεις με μέγιστο φορτίο 15 mn και μία μέση τιμή προσδιορίστηκε με χρήση του αλγορίθμου πεπερασμένων στοιχείων SSCUBONI /7,34/. Στο σχήμα 7.26 παρουσιάζονται οι καμπύλες τάσης-παραμόρφωσης, όπως προέκυψαν από τον αλγόριθμο και είναι εμφανές ότι καλύτερες μηχανικές ιδιότητες εμφανίζει η επικάλυψη CrAlYN. Ο πίνακας στο κάτω μέρος του ίδιου σχήματος παρουσιάζει τις βασικές ελαστοπλαστικές ιδιότητες των επικαλύψεων που μελετήθηκαν, καθώς και του αντίστοιχου υποστρώματος. Η CrAlYN κατέχει ανώτερα όρια διαρροής (SY) και θραύσης (SM) εν συγκρίσει των υπολοίπων επικαλύψεων, ενώ τα χειρότερα χαρακτηριστικά τάσης παραμόρφωσης κατέχει η CrAlZrN. Σχήμα 7.26: Ελαστοπλαστικές ιδιότητες των επικαλύψεων και του υποστρώματος που χρησιμοποιήθηκαν. Προκειμένου να γίνει μία πλήρης μελέτη των επικαλύψεων και να είναι δυνατή η σύγκριση μεταξύ τους, πραγματοποιήθηκε ένας μεγάλος αριθμός πειραμάτων δοκιμής επαναλαμβανόμενης κρούσης. Έγιναν πειράματα για κάθε μία επικάλυψη σε διάφορες θερμοκρασίες και για διάφορες φορτίσεις προκειμένου να προσδιοριστεί η πορεία αστοχίας της εκάστοτε επικάλυψης. Στο σχήμα 7.27 παρουσιάζεται αντιπροσωπευτικό δείγμα πειραμάτων που έγιναν σε δοκίμια επικαλυμμένα με CrAlN. Οι μικροφωτογραφίες SEM που παραθέτονται στο σχήμα 7.28 δίνουν μία 71

82 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες συνολική εικόνα της συμπεριφοράς της επικάλυψης CrAlZrN, ενώ τα αντίστοιχα αποτελέσματα που προέκυψαν από τα πειράματα στην επικάλυψη CrAlYN παρουσιάζονται στο σχήμα Οι προσμίξεις και του Zr και του Y είναι εμφανές ότι βελτιώνουν ιδιαίτερα την επικάλυψη η οποία δεν αστοχεί παρόλο το αυξημένο φορτίο που εφαρμόστηκε. Για αυτό το λόγο δεν ήταν δυνατή η δημιουργία καμπυλών που να περιγράφουν την εξέλιξη της φθοράς. Σχήμα 7.27: Μικροφωτογραφίες SEM των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσεις, σε επικάλυψη CrAlN για διάφορες θερμοκρασίες και δυνάμεις κρούσης. Σχήμα 7.28: Μικροφωτογραφίες SEM των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσεις, σε επικάλυψη CrAlZrN για διάφορες θερμοκρασίες και δυνάμεις κρούσης. 72

83 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 7.29: Μικροφωτογραφίες SEM των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσεις, σε επικάλυψη CrAlYN για διάφορες θερμοκρασίες και δυνάμεις κρούσης. Σχήμα 7.30: Μικροφωτογραφίες SEM των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από τη δοκιμασία πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσεις, σε επικάλυψη CrAlN για διάφορες θερμοκρασίες και δυνάμεις κρούσης. 73

84 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 7.31: Μικροφωτογραφίες SEM των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από τη δοκιμασία πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσεις, σε επικάλυψη CrAlYN για διάφορες θερμοκρασίες και δυνάμεις κρούσης. Σχήμα 7.32: Μικροφωτογραφίες SEM των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από τη δοκιμασία πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσεις, σε επικάλυψη CrAlZr N για διάφορες θερμοκρασίες και δυνάμεις κρούσης. 74

85 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Η καλή συμπεριφορά και η μη αστοχία της επικάλυψης κατά την κάθετη φόρτιση, οδήγησε στην ανάγκη να καταπονηθεί η επικάλυψη και πλάγια. Κατά τη δοκιμασία αυτή, οι επαναλαμβανόμενες κρούσεις του εισβολέα πραγματοποιούνται επί κεκλιμένης επιφάνειας, έτσι ώστε η επιφάνεια να φορτίζεται ταυτόχρονα κάθετα και εφαπτομενικά. Η επιλεγμένη γωνία του κεκλιμένου επιπέδου 10 o αντιστοιχεί στα πραγματικά κάθετα και εφαπτομενικά φορτία κατά την κοπή. Μέχρι αυτά τα επίπεδα φόρτισης η μικροδομή της επικάλυψης παραμένει σταθερή. Στα σχήματα 7.30, 7.31 και 7.32 που ακολουθούν παρουσιάζονται μικροφωτογραφίες SEM των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν για κάθε μία από τις επικαλύψεις. Σχήμα 7.33: Αντίσταση σε κρούση των επικαλύψεων συναρτήσει της θερμοκρασίας και ενδεικτικά αποτυπώματα των αστοχιών. Η κρίσιμη δύναμη που οδηγεί στην έναρξη της αστοχίας της επικάλυψης μετά από ένα εκατομμύριο κρούσεις για κάθε θερμοκρασία φαίνεται στο Σχήμα Όλες οι επικαλύψεις παρουσιάζουν μία αύξηση στην αντοχή σε κρούση περίπου στους 100 o C, ενώ πάνω από αυτή τη θερμοκρασία αποκαλύπτεται μία καθοδική τάση στο κρίσιμο φορτίο κρούσης. Ένα δεύτερο μέγιστο της αντοχής σε κρούση εμφανίζεται 75

86 7. Μελέτη συμπεριφοράς των επικαλύψεων μέσω της δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες στους 400 o C περίπου, εν τούτοις αυτό το μέγιστο είναι πολύ χαμηλότερα από το πρώτο, πετυχαίνοντας παρά μόνο μια κρίσιμη δύναμη κρούσης στα περίπου 30, 20 και 10 dan για τις CrAlN, CrAlZrN και CrAlYN επικαλύψεις αντίστοιχα. Στο κάτω μέρος του ίδιου σχήματος εκθέτονται ενδεικτικά αποτυπώματα των αστοχιών των επικαλύψεων, που επιβεβαιώνουν τα εν προκειμένω αποτελέσματα. Ως κριτήριο για την αστοχία της επικάλυψης λήφθηκε η αποκάλυψη του 3% της επιφάνειας του υποστρώματος. 76

87 8. Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες 8. Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Η Βιομηχανία των κοπτικών εργαλείων επιζητά συνέχεια επικαλύψεις που θα βελτιώσουν την ποιότητα και αντοχή των εργαλείων. Η δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες όπως παρουσιάστηκε στο κεφάλαιο 6, αποτελεί μια αξιόπιστη μέθοδο μελέτης επικαλύψεων. Κρίθηκε όμως απαραίτητη η αντιπαράθεση των πειραματικών αποτελεσμάτων που προέκυψαν από τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης, με τα πραγματικά στοιχεία απόδοσης των επικαλύψεων όπως αυτά προέκυψαν από κοπές. Επικαλυμμένα κοπτικά πλακίδια, με τις ίδιες προδιαγραφές όπως αυτά που χρησιμοποιήθηκαν για τα πειράματα επαναλαμβανόμενης κρούσης που παρουσιάστηκαν στο κεφάλαιο 7, χρησιμοποιήθηκαν κατά το περιφερικό φραιζάρισμα με σκοπό να παρατηρηθεί το φαινόμενο της φθοράς της επικάλυψης σε διάφορες ταχύτητες κοπής. Στο σχήμα 8.1, παρουσιάζονται οι επικαλύψεις που χρησιμοποιήθηκαν στις κοπές, καθώς και τα υλικά τα οποία κατεργάστηκαν. Σχήμα 8.1: Επικαλύψεις οι οποίες μελετήθηκαν. Οι κοπές πραγματοποιήθηκαν στο πολυαξονικό κέντρο (CNC) που βρίσκεται στο 77

88 8. Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες ΕΕΔΜ από τους επιστημονικούς συνεργάτες του εργαστηρίου. Για κάθε μια από τις επικαλύψεις, πραγματοποιήθηκε συσχετισμός της φθοράς κατά το φραιζάρισμα με την αντοχή σε επαναλαμβανόμενη κρούση και για τα πειραματικά αποτελέσματα των κοπών αλλά και μέσω υπολογισμών με τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων με ειδικά προσομειωτικά μοντέλα. 8.1 Επικαλύψεις οικογενείας TiN Κοπτικά πλακίδια της οικογένειας ΤΙΝ,με τις ίδιες προδιαγραφές όπως αυτά που χρησιμοποιήθηκαν για τα πειράματα επαναλαμβανόμενης κρούσης, διερευνήθηκαν κατά το περιφερικό φραιζάρισμα με σκοπό να παρατηρηθεί το φαινόμενο της φθοράς της επικάλυψης σε διάφορες ταχύτητες κοπής μέχρι τα 600 m/min. Μια σύνοψη των αποτελεσμάτων παρουσιάζεται στο σχήμα 8.2α, όπου παρατηρείται η εξέλιξη της φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας VB σε συνάρτηση με τον αριθμό των κοπών για διάφορες ταχύτητες κοπής /46/. Η καλύτερη απόδοση κοπής επιτυγχάνεται για ταχύτητα κοπής ίση με 200 m/min, επιτυγχάνοντας φθορά στην επιφάνεια ελευθερίας ίση με 0.2 mm, μετά από περίπου κοπές. Αξίζει να σημειωθεί ότι μια απότομη αύξηση της φθοράς σε συνάρτηση με τον αριθμό των κοπών επιτεύχθηκε στην χαμηλότερη ταχύτητα κοπής των 100 m/min. Ο αριθμός των κοπών για φθορά της επιφάνειας ελευθερίας VB ίση με 0.2 mm σε διάφορες ταχύτητες κοπής παρουσιάζεται στο σχήμα 8.14β. Υπάρχει μια σημαντική αύξηση της απόδοσης κοπής των κοπτικών πλακιδίων στην ταχύτητα κοπής των 200 m/min. Αυτό το αποτέλεσμα μπορεί να αποδοθεί στην καλύτερη αντοχή σε επαναλαμβανόμενη κρούση καθώς και στις μηχανικές ιδιότητες για θερμοκρασία κοπής μεταξύ των 100 o C και 200 o C. Αυτό επιβεβαιώνεται και από θεωρητικούς υπολογισμούς όπως περιγράφονται παρακάτω. 78

89 8. Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 8.2: α: Φθορά επιφάνειας ελευθερίας σε συνάρτηση με τoν αριθμό των κοπών και β: αριθμός κοπών μέχρι VB= 0.2 mm, σε διάφορες ταχύτητες κοπής Συσχετισμός της φθοράς κατά το φρεζάρισμα με την αντοχή σε επαναλαμβανόμενη κρούση, μέσω υπολογισμών με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Προκειμένου να συσχετισθούν το αναπτυσσόμενο θερμοκρασιακό πεδίο κατά τη διαδικασία αφαίρεσης υλικού και οι θερμοκρασίες κατά τη διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης, προσομοιώθηκε η διαδικασία κοπής με τη βοήθεια της μεθόδου των πεπερασμένων στοιχειών σε διάφορες ταχύτητες κοπής /66/. Στο σχήμα 8.3α παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των υπολογισμών /46/. 79

90 8. Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 8.3: α: Κατανομή θερμοκρασιακού πεδίου μέσα στο επικαλυμμένο κοπτικό εργαλείο και β: Διάγραμμα των θερμοκρασιών που αναπτύσσονται στις θέσεις πάνω στις επιφάνειες αποβλίττου και ελευθερίας σε συνάρτηση με την ταχύτητα κοπής. Στο σχήμα παρουσιάζεται η τομή της κοπτικής ακμής του εργαλείου και το θερμοκρασιακό πεδίο που αναπτύσσεται στο κοπτικό εργαλείο με όλο το μήκος επαφής του αποβλίττου (ccl), για ταχύτητα κοπής ίση με 300 m/min. Το θερμοκρασιακό πεδίο που εμφανίζεται στο σχήμα αντιστοιχεί σε μήκος αποβλίττου ίσο με το μήκος επαφής του αποβλίττου των πειραμάτων φραιζαρίσματος. Ανάλογα με την ταχύτητα κοπής, καθώς και από την περιοχή μέτρησης, η μέγιστη υπολογισμένη θερμοκρασία αυξάνει όπως παραθέτεται στο σχήμα 8.4β /66/. Οι θέσεις 1 και 2 αντιστοιχούν στο κάτω και πάνω όριο της ακτίνας καμπυλότητας της κοπτικής ακμής αντίστοιχα. Η μέγιστη θερμοκρασία που αναπτύσσεται στις θέσεις 1 και 2 ανέρχεται στους 80 ο C περίπου για ταχύτητα κοπής ίση με 100 m/min, ενώ μετά ακολουθεί μια σταθερή πορεία σε συνάρτηση με την ταχύτητα κοπής φτάνοντας τους 200 ο C. Από την άλλη πλευρά, στη θέση 3, η οποία είναι περίπου η θέση όπου τελειώνει το πάχος απαραμόρφωτου αποβλίττου hcu και ξεκινάει η ροή του αποβλίττου, το θερμικό φορτίο της επικάλυψης μεγιστοποιείται και η θερμοκρασία έχει αυξητική τάση συναρτήσει της ταχύτητας κοπής φτάνοντας την τιμή των 630 ο C για ταχύτητα κοπής ίση με 600 m/min. 80

91 8. Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 8.4: α: Δεδομένα μετρήσεων που ελήφθησαν υπόψη στους FEM υπολογισμούς της μέγιστης ισοδύναμης τάσης και β: Πρόβλεψη των αριθμών των κοπών για την έναρξη της αστοχίας της επικάλυψης σε διάφορες ταχύτητες κοπής. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, το θερμοκρασιακό πεδίο στην κρίσιμη περιοχή 1 της κοπτικής ακμής /58/ αυξάνει από τους 80 o C για ταχύτητα κοπής ίση με 100 m/min στους 200 o C και για αύξηση της ταχύτητας κοπής στα 200 m/min και επιπλέον, παραμένει πρακτικά σταθερή για περαιτέρω αύξηση της ταχύτητας κοπής. Επιπλέον, μπορεί να γίνει μια πρόβλεψη του αριθμού των κοπών που απαιτούνται για την έναρξη της αστοχίας της επικάλυψης στην θέση 1 της κοπτικής ακμής για ταχύτητα κοπής ίση με 200 m/min, λαμβάνοντας υπόψη τα διαγράμματα Woehler του υλικού για θερμοκρασία ίση με 200 o C. Για να διεξαχθεί αυτή η πρόβλεψη, καταρχάς, πρέπει να υπολογιστεί το πεδίο των τάσεων που αναπτύσσεται στην κοπτική ακμή κατά τη διάρκεια αφαίρεσης υλικού χρησιμοποιώντας το FEM μοντέλο που παρουσιάζεται στην δημοσίευση /58/ και τα αποτελέσματα των μετρήσεων παρουσιάζονται στο σχήμα 8.4α. Μια χαρακτηριστική κατανομή τάσεων και η πρόβλεψη του αριθμού κοπών μέχρι την έναρξη της αστοχίας της επικάλυψης παρουσιάζονται στο σχήμα 8.4β. Τοποθετώντας την μέγιστη αναπτυσσόμενη τάση στο αντίστοιχο διάγραμμα Woehler του σχήματος 8.5β, μπορεί να προβλεφθεί ο αριθμός των κοπών για την έναρξη της αστοχίας της επικάλυψης για διάφορες ταχύτητες κοπής. Τα 81

92 8. Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες αποτελέσματα συμπίπτουν αρκετά με τα αυτά των πειραμάτων που παρουσιάστηκαν στο σχήμα 8.5. Πρέπει να σημειωθεί ότι κατά την διάρκεια των πειραμάτων φραιζαρίσματος, για ταχύτητα κοπής μεγαλύτερη από 400 m/min, ενεργοποιούνται μηχανισμοί φθοράς πάνω στην επιφάνεια αποβλίττου, όπως περιγράφηκε στην /46/. Αυτοί οι μηχανισμοί επιταχύνουν την απομάκρυνση της επικάλυψης μετά την έναρξη της αστοχίας της και μπορεί να είναι καθοριστικοί για την διάρκεια ζωής του κοπτικού εργαλείου για ταχύτητες κοπής πάνω από 600 m/min. Σχήμα 8.5: Συσχετισμός μεταξύ της απόδοσης κοπής και της αντοχής σε επαναλαμβανόμενη κρούση. Η δυνατότητα να υπολογιστεί η εμφανιζόμενη θερμοκρασία που αναπτύσσεται στην κοπτική ακμή κατά τη διάρκεια της αφαίρεσης του υλικού επιτρέπει το συσχετισμό μεταξύ της αντοχής της επικάλυψης σε επαναλαμβανόμενη κρούση με τα αποτελέσματα των πειραμάτων του φραιζαρίσματος, σε διάφορες ταχύτητες κοπής. Μια τέτοια σχέση παρουσιάζεται στο σχήμα 8.5, όπου φαίνεται η κρίσιμη δύναμη για 10 6 κρούσεις για ποσοστό αστοχίας της επικάλυψης λιγότερο από 3% καθώς και ο αριθμός των πραγματοποιημένων κοπών για φθορά της επιφάνειας ελευθερίας ίση με 0.2 mm σε συνάρτηση με την ταχύτητα κοπής και τη θερμοκρασία κρούσης. Οι καταγεγραμμένες θερμοκρασίες κατά τη διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης που παρουσιάζονται στο παραπάνω σχήμα, αντιστοιχούν στις ταχύτητες κοπής και στη θέση της κοπτικής ακμής σύμφωνα με τους υπολογισμούς με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Είναι εντυπωσιακό το γεγονός ότι υπάρχει σχεδόν μια ίδια συμπεριφορά της απόδοσης κοπής της επικάλυψης με την αντοχή της επικάλυψης σε επαναλαμβανόμενη κρούση συναρτήσει της ταχύτητας κοπής και της θερμοκρασίας αντίστοιχα. 82

93 8. Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 8.6: α: Διαγράμματα Woehler των εξεταζόμενων επικαλύψεων και β: Αντίστοιχες καμπύλες τάσης παραμόρφωσης σε υψηλές θερμοκρασίες και περιβάλλοντος. Η μεταβολή των μηχανικών ιδιοτήτων των εξεταζόμενων επικαλύψεων, σε σχέση με τα διαγράμματα Woehler και τις καμπύλες τάσης παραμόρφωσης, λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας, προσδιορίστηκαν με τις διαδικασίες που επεξηγήθηκαν στις δημοσιεύσεις /46,48/, χρησιμοποιώντας το λογισμικό ITEC /44/. Το Σχήμα 8.6α δείχνει την αύξηση της αντοχής σε επαναλαμβανόμενη κρούση για τις δύο εξεταζόμενες επικαλύψεις για τη θερμοκρασία των 200 o C, συγκρινόμενη με την θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ανάλογα, το Σχήμα 8.6β παρουσιάζει την αύξηση του ορίου διαρκούς αντοχής στην ίδια θερμοκρασία, με το μέτρο ελαστικότητας της κάθε επικάλυψης να παραμένει σταθερό για αύξηση της θερμοκρασίας μέχρι τους 200 o C /56/. Το εφαρμοζόμενο μέτρο ελαστικότητας της επικάλυψης αλλά και του υποστρώματος στους παραπάνω υπολογισμούς προσδιορίστηκε μέσω της μεθοδολογίας που περιγράφεται στην δημοσίευση /34/ σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, βασιζόμενη στα αποτελέσματα από τις νανοσκληρομετρήσεις. Αυτά τα δεδομένα θεωρήθηκαν σταθερά για θερμοκρασίες μέχρι τους 200 o C /59,74,89/. Επιπλέον, τα μέτρα ελαστικότητας και τα εφαπτομενικά μέτρα πλαστικότητας των επικαλύψεων και του υποστρώματος θεωρήθηκαν σταθερά για τις θερμοκρασίες μέχρι τους 200 ο C. Στους 83

94 8. Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες 200 ο C, το όριο διαρροής και οι κλίσεις των εφαπτομενικών μέτρων πλαστικότητας αυξήθηκαν με ποσοστό ανάλογο με αυτό της αύξησης του ορίου διαρκούς αντοχής. Τα διαγράμματα Woehler και οι νέες καμπύλες τάσης παραμόρφωσης εφαρμόστηκαν για να προσδιοριστεί η έναρξη της αστοχίας των επικαλύψεων στο φραιζάρισμα σε διάφορες ταχύτητες κοπής και προώσεις. Λαμβάνοντας υπόψη τις δυνάμεις κοπής και τα μήκη επαφής αποβλίττου που υπολογίστηκαν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων φραιζαρίσματος /46,48/, υπολογίστηκαν οι τάσεις που αναπτύσσονται στην κοπτική ακμή. Ο προσδιορισμός των τάσεων γίνεται μέσω του μοντέλου προσομοίωσης που δημιουργήθηκε με τη βοήθεια του λογισμικού ANSYS /95/, όπως περιγράφεται στην δημοσίευση /49/. Για μεγαλύτερη ακρίβεια των υπολογισμών, οι κατανομές των δυνάμεων κοπής πάνω στην επιφάνεια αποβλίττου καθώς και στην ακτίνα καμπυλότητας προσδιορίζονται μέσω του λογισμικού DEFORM, ενώ τα αποτελέσματα των κατανομών των πιέσεων στην κοπτική ακμή υπολογίστηκαν με τη βοήθεια του λογισμικού ANSYS. Επιπλέον, οι κατανομές των πιέσεων προσεγγίστηκαν μέσω πολυγραμμικού νόμου και προσαρμόστηκαν στις πειραματικές τιμές των μηκών επαφής του αποβλίττου ccl και των μέγιστων τιμών των δυνάμεων κοπής F c και F κn /58/. 8.2 Μελέτη συμπεριφοράς της επικάλυψης TiAlN-SN 2 Κατά την θεωρητική μελέτη των επικαλύψεων TiAlN και TiAlN-SN 2 παρατηρείται οτι τα πειραματικά δεδομένα διαφέρουν ελάχιστα από τα αντίστοιχα που υπολογίστηκαν από το DEFORM /34,69,85/. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, οι τάσεις που αναπτύσσονται στα πλακίδια με επικάλυψη TINALOX είναι ελαφρώς υψηλότερες λόγω του μεγαλύτερου μέτρου ελαστικότητας. Εισάγοντας τις μέγιστες τάσεις στα αντίστοιχα διαγράμματα Woehler των επικαλύψεων, μπορεί να προβλεφθεί η έναρξη της αστοχίας των επικαλύψεων στην κοπτική ακμή, κοντά στην επιφάνεια ελευθερίας, όπου και εμφανίζονται οι μέγιστες τάσεις (σχήμα 8.7α). Η έναρξη της αστοχίας των επικαλύψεων για την περίπτωση πάχους απαραμόρφωτου αποβλίττου h cu ίσο με 0.12 mm είναι περίπου 6000 και κοπές για τα κοπτικά πλακίδια με επικάλυψη TINALOX και SN 2 αντίστοιχα. Η αντίστοιχη έναρξη της αστοχίας των επικαλύψεων για την υψηλή πρόωση, που αντιστοιχεί σε πάχος απαραμόρφωτου αποβλίττου ίσο με 0.4 mm, είναι μετά από 7000 κοπές για τα πλακίδια με επικάλυψη TINALOX και κοπές για τα πλακίδια με επικάλυψη SN 2. Οι παραπάνω προβλέψεις συμπίπτουν με τα πειραματικά αποτελέσματα κοπών που πραγματοποιήθηκαν (σχήμα 8.7β) και τα οποία ελέγχθηκα με τη βοήθεια SEM φωτογραφιών /47/. 84

95 8. Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 8.7: α: Πρόβλεψη έναρξης της αστοχίας της επικάλυψης, εφαρμόζοντας τις προσδιορισμένες τάσεις στην κοπτική ακμή και τα διαγράμματα Woehler των επικαλύψεων σε διάφορες θερμοκρασίες. β: Πειραματικός προσδιορισμός της πρώτης αστοχίας της επικάλυψης. Η πρόθεση της παρούσας εργασίας είναι να συσχετισθεί η αντοχή της επικάλυψης σε επαναλαμβανόμενη κρούση με τα αποτελέσματα των πειραμάτων του φραιζαρίσματος, σε διάφορες ταχύτητες κοπής και προώσεις. Μια τέτοια σχέση παρουσιάζεται στα σχήματα 8.8α και 8.8β, για τα κοπτικά πλακίδια σκληρομετάλλου που εναποτέθηκαν με την επικάλυψη TINALOX και SN 2 αντίστοιχα. Στα διαγράμματα παρουσιάζεται η κρίσιμη δύναμη για 10 6 κρούσεις για ποσοστό αστοχίας της επικάλυψης λιγότερο από 3% καθώς και ο αριθμός των πραγματοποιημένων κοπών για φθορά της επιφάνειας ελευθερίας ίση με 0.2 mm σε συνάρτηση με την ταχύτητα κοπής και τη θερμοκρασία κρούσης. Οι καταγεγραμμένες θερμοκρασίες κατά τη διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης που παρουσιάζονται στα παραπάνω σχήματα, αντιστοιχούν στις ταχύτητες κοπής και στη θέση της κοπτικής ακμής σύμφωνα με τους υπολογισμούς με την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Είναι εντυπωσιακό το γεγονός ότι υπάρχει σχεδόν μια ίδια συμπεριφορά της απόδοσης κοπής της επικάλυψης με την αντοχή της επικάλυψης σε επαναλαμβανόμενη κρούση συναρτήσει της ταχύτητας κοπής και της θερμοκρασίας αντίστοιχα και στις δύο εξεταζόμενες επικαλύψεις. 85

96 8. Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 8.8: Συσχετισμός μεταξύ της απόδοσης κοπής και της αντοχής σε επαναλαμβανόμενη κρούση για την επικάλυψη α: TINALOX και β: SN Διστρωματικές επικαλύψεις TiN/TiAlN Συσχέτιση μεταξύ της αντίστασης σε κρούση και της απόδοσης κοπής, βασισμένη στους υπολογισμούς με πεπερασμένα στοιχεία Μία πρόβλεψη για των αριθμό των κοπών που ξεκινά η θραύση στην επικάλυψη στην επικίνδυνη περιοχή της κοπτικής ακμής μπορεί να γίνει αν ληφθεί υπόψιν το διάγραμμα Woehler του υλικού της επικάλυψης (που συνδέεται με την αντίστοιχη θερμοκρασία κοπής και προσδιορίζεται μέσω του λογισμικού ITEC+) και επιπλέον θεωρώντας τα δεδομένα για τις ιδιότητες της επικάλυψης που παρουσιάζονται στο σχήμα

97 8. Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 8.9: Συσχέτιση των πειραματικών με το δοκιμαστήριο κρούσης αποτελεσμάτων με το φραιζάρισμα με SN 2 επικαλυμμένων εργαλείων. Εισάγοντας τις μέγιστες αναπτυσσόμενες τάσεις στο αντίστοιχο διάγραμμα Woehler του σχήματος 8.9, ο αναμενόμενος αριθμός κοπών για την ανάπτυξη της πρώτης αστοχίας στην επικάλυψη σε διάφορες ταχύτητες κοπής και κινηματικές φραιζαρίσματος στην περίπτωση των επικαλυμμένων με SN2 εργαλείων μπορεί να προβλεφθεί. Στο αντίρροπο φραιζάρισμα η πρώτη αστοχία της επικάλυψης υπολογίζεται περίπου στις και κοπές για τις ταχύτητες κοπής των 100 και 200 m/min αντίστοιχα. Στο ομόρροπο φραιζάρισμα οι αντίστοιχες προβλέψεις αναφέρονται σε περίπου και κοπές αντίστοιχα. 87

98 8. Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 8.10: Συσχέτιση των πειραματικών από το δοκιμαστήριο κρούσης αποτελεσμάτων, με τα αντίστοιχα από το φραιζάρισμα με TiN/TiAlN επικαλυμμένα εργαλεία. Αυτά τα αποτελέσματα είναι σε καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα που προέκυψαν από τις κοπές οι οποίες παρουσιάζονται αναλυτικά στην /21/. Επιπλέον, μια γενική εικόνα των αποτελεσμάτων που αποκτήθηκαν λαμβάνοντας υπόψιν τον αριθμό κοπών μέχρι την πρώτη αστοχία της επικάλυψης, την κρίσιμη δύναμη κρούσης της επικάλυψης και τον αριθμό κοπών που επέτυχε η επικάλυψη έως ότου το πλάτος ζώνης φθοράς φθάσει VB=0.2 mm, για διάφορες ταχύτητες κοπής και κινηματικές φριζαρίσματος, παρουσιάζεται στο αριστερό τμήμα του σχήματος 8.9. Στο αντίρροπο φραιζάρισμα, η αύξηση της ταχύτητας κοπής από 100 σε 200 m/min οδηγεί σε αύξηση της διάρκειας ζωής του εργαλείου, λόγω της βελτίωσης της αντίστασης σε κρούση και των μηχανικών ιδιοτήτων στις σχετικές θερμοκρασίες κοπής. Ακόμα, εφαρμόζοντας την κινηματική του ομόρροπου φραιζαρίσματος αντί του αντίρροπου και διατηρώντας όλες τις παραμέτρους κοπής σταθερές, υπάρχει μια επιπρόσθετη αύξηση της διάρκειας ζωής του εργαλείου λόγω των χαμηλότερων φορτίων στην κοπτική ακμή. Το υμένιο TiN/TiAlN κατέχει μια αυξημένη αντοχή σε κόπωση σε χαμηλές 88

99 8. Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες θερμοκρασίες, κάτι ευνοϊκό σε αντίρροπο φραιζάρισμα, λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας κοπής στην είσοδο του εργαλείου στο τεμάχιο, όπου εμφανίζονται οι μέγιστες τάσεις. Επομένως, οι κρίσιμες δυνάμεις κρούσης και οι κοπές μέχρι την πρώτη αστοχία και την τελική αστοχία έως ότου το πλάτος ζώνης φθοράς φθάσει VB=0.2 mm είναι μεγαλύτερες στις περιπτώσεις όπου οι ταχύτητες κοπής είναι μικρότερες, και στις δύο κινηματικές που μελετήθηκαν (σχήμα 8.10). Σύγκριση TiN/TiAlN με επικαλύψεις TINALOX και SN2. Συσχετισμός της ταχύτητας κοπής με τη θερμοκρασία που εφαρμόζεται κατά τη διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης Προκειμένου να προκύψει συσχετισμός ανάμεσα στην ταχύτητα κοπής και κατ επέκταση τη θερμοκρασία που αναπτύσσεται κατά την κοπή και την θερμοκρασία που εφαρμόζεται κατά τη διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης, πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης φραιζάρισμα σε κράμα Ni Inconel 718. Το Inconel 718 παρουσιάζει υψηλή αντοχή, σκληρότητα και δυναμική διάτμιση σε θερμοκρασίες δωματίου ή υψηλότερες. Από την άλλη, αυτό το ιδιαίτερα σημαντικό κράμα χαρακτηρίζεται από χαμηλή θερμική διαχυτότητα, που σε συνδυασμό με την υψηλή αντιδραστικότητα με άλλα υλικά εργαλείων, οδηγούν σε αυξημένα φορτία και θερμοκρασίες στο εργαλείο, καθώς επίσης και μεγάλες εκδορές. Στην προκειμένη περίπτωση πραγματοποιήθηκε φραιζάρισμα και με τις τρεις προς εξέταση επικαλύψεις τα αποτελέσματα του οποίου φαίνονται στο σχήμα Στο σχήμα 8.11(α) παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του φραιζαρίσματος με Inconel 711 για τις επικαλύψεις SN 2, TiN/TiAlN και TINALOX, αντίστοιχα. Είναι εύκολα αντιληπτό ότι η συμπεριφορά διαφοροποιείται αυξάνοντας την ταχύτητα κοπής. Για ταχύτητα 15 m/min την καλύτερη απόδοση έχει η διστρωματική TiN/TiAlN, ενώ την χειρότερη το TINALOX. Αυξάνοντας τη ταχύτητα στα 26 m/min το TiN/TiAlN πετυχαίνει τον μικρότερο αριθμό κοπών, ενώ τώρα το SN 2 αναδεικνύεται ως η καλύτερη επικάλυψη. Τέλος, μία περαιτέρω αύξηση στα 35 m/min διαφοροποιεί ξανά την εικόνα, διατηρεί τη σειρά που προέκυψε κατά την κοπή με ταχύτητα 15 m/min αλλά αυτή τη φορά η διαφορά είναι πολύ μεγάλη για τις τρεις εξεταζόμενες επικαλύψεις, αφού στο TiN/TiAlN καταφέρνει να κάνει 2300 κοπές, ενώ στο SN 2 700, και στο TINALOX μόνο 500 κοπές. 89

100 8. Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 8.11: (α) αριθμός κοπών που επιτυγχάνεται κατά το φραιζάρισμα σε Inconel 718 σε κάθε επικάλυψη και για αυξανόμενη ταχύτητα κοπής, (β) Κρίσιμο φορτίο στο οποίο παρατηρείται αστοχία της επικάλυψης για διάφορες θερμοκρασίες. Με τη βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων, προσδιορίστηκε η αντιστοιχία ανάμεσα στην ταχύτητα κοπής και στη θερμοκρασία που αναπτύσσεται κατά την εκάστοτε ταχύτητα /35/. Για τις θερμοκρασίες αυτές πραγματοποιήθηκαν πειράματα επαναλαμβανόμενης κρούσης προκειμένου να προκύψουν συμπεράσματα συσχέτισης ή όχι. Στο (β) τμήμα τους σχήματος παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για θερμοκρασίες 75, 150 και 300 ο C. Παρατηρείται η απόλυτη αντιστοιχεία της συμπεριφοράς των επικαλύψεων κατά το φραιζάρισμα σε Inconel 718 και κατά τη διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης. Όπως και στο φραιζάρισμα, σε χαμηλή θερμοκρασία το TiN/TiAlN παρουσιάζει την καλύτερη αντοχή και την χειρότερη το ΤΙΝΑLΟΧ. Αυξάνοντας τη θερμοκρασία, το TiN/TiAlN αστοχεί νωρίτερα από όλα ενώ το SN 2 αντέχει στην μεγαλύτερη δύναμη. Τέλος για θερμοκρασία 300 ο C η συμπεριφορά ταυτίζεται με αυτήν των 75 ο C. Η απόλυτη ταύτιση της συμπεριφοράς της επικάλυψης σε σχέση με τη θερμοκρασία και με την ταχύτητα κοπής είναι εύκολα αντιληπτή από τα ραβδοδιαγράμματα του σχήματος Έτσι για μία ακόμα φορά, 90

101 8. Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες μέσω από πειραματικές διαδικασίες επιβεβαιώνεται η διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες ως ικανή να προσδιορίσει την αντοχή των επικαλύψεων σε κοπή. Επιπρόσθετες έρευνες και κοπές που πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας /35/ οδήγησαν στον προσδιορισμό των διαγραμμάτων που φαίνονται στο σχήμα 8.12 για κάθε μία από τις εξεταζόμενες επικαλύψεις με χρήση του λογισμικού ITEC+ /44,46,47/. Σχήμα 8.12: Διαγράμματα Woehler των επικαλύψεων. Μία πρόβλεψη της έναρξης της αστοχίας της επικάλυψης είναι δυνατή χρησιμοποιώντας τη μέγιστη αναπτυσσόμενη τάση στα αντίστοιχα διαγράμματα. Για υψηλή πρόωση 0.12 mm, η έναρξη της αστοχίας της επικάλυψης, για όλες τις εξεταζόμενες επικαλύψεις, λαμβάνει χώρα στις πρώτες κοπές. Αντίθετα, σε πιο χαμηλή πρόωση 0.06 mm η έναρξη της αστοχίας εμφανίζεται σε ένα σημαντικά υψηλότερο αριθμό κρούσεων, δηλαδή κοπών. 8.4 Μελέτη συμπεριφοράς επικαλύψεων οικογενείας CrAlN Συσχετισμός της φθοράς κατά το φραιζαρισμα με την αντοχη σε επαναλαμβανομενη κρουση, μεσω πεπερασμενων στοιχειων Η δυνατότητα να υπολογιστούν οι θερμοκρασίες που αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια αφαίρεσης υλικού επιτρέπει τη συσχέτιση μεταξύ της αντοχής σε κρούση της επικάλυψης και των αποτελεσμάτων φθοράς που προκύπτουν από το φραιζάρισμα σε διάφορες ταχύτητες κοπής /36/. Ο υπολογισμός των θερμοκρασιών κοπής έγινε μέσω του λογισμικού πακέτου DEFORM, όπου η θερμική αγωγιμότητα των επικαλύψεων CrAlN θεωρήθηκε μικρότερη από τις αντίστοιχες τιμές της TiAlN επικάλυψης /35/. Στο άνω μέρος του σχήματος 8.13, παρουσιάζεται μια γενική εικόνα 91

102 8. Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες των θερμοκρασιών που αναπτύσσονται κατά την κοπή στο εσωτερικό της επικάλυψης για το φραιζάρισμα Inconel 718 για τρία διαφορετικά μήκη αποβλίττου στην ταχύτητα των 26 m/min. Η μέγιστη θερμοκρασία εμφανίζεται στην άκρη του εργαλείου, όπου και οι μέγιστες τάσεις αναπτύσσονται επίσης. Αυτή η τάση μπορεί να παρατηρηθεί στα σκαριφήματα ανάπτυξης του αποβλίττου για διάφορα μήκη αποβλίττου στο πάνω μέρος του σχήματος. Είναι σαφές ότι η μέγιστη θερμοκρασία που εμφανίζεται αυξάνει συναρτήσει του μήκους αποβλίττου. Η μέγιστη θερμοκρασία μέσα στην επικάλυψη για μήκος αποβλίττου 4,6 mm είναι περίπου 180 o C. Παρόμοια, μπορεί να υπολογιστεί η μέγιστη θερμοκρασία στην επικάλυψη συναρτήσει του μήκος αποβλίττου και της ταχύτητας κοπής. Λαμβάνοντας υπόψιν αυτά τα αποτελέσματα, η θερμοκρασία κοπής μπορεί να συσχετισθεί άμεσα με την αντίσταση σε κρούση σε συγκεκριμένες θερμοκρασίες λειτουργίας και ειδικές σχέσεις μεταξύ της κρίσιμης δύναμης κρούσης και της φθοράς στην επιφάνεια ελευθερίας μπορούν να επισημανθούν όπως και αποτυπώνονται στο κάτω μέρος του ίδιου σχήματος. Πιο συγκεκριμένα παρουσιάζεται η κρίσιμη δύναμη κρούσης η οποία μετά από 10 6 κρούσεις έχει προκαλέσει λόγο θραύσης της επικάλυψης λιγότερο από 3% και του αριθμού των κοπών μέχρις ότου το πλάτος ζώνης φθοράς να αγγίξει τα 0,2 mm, συναρτήσει της θερμοκρασίας του δοκιμαστηρίου κρούσης και της ταχύτητας κοπής. Τα αποτελέσματα των δύο πειραμάτων κρούσης στη θερμοκρασία των 180 o C, η οποία αντιστοιχεί στα αποτελέσματα κοπής με ταχύτητα κοπής τα 26 m/min, αποδεικνύουν μια βέβαιη συσχέτιση της απόδοσης των επικαλύψεων. Είναι εντυπωσιακό το γεγονός ότι υπάρχει μια σχεδόν πανομοιότυπη συμπεριφορά της απόδοσης των επικαλύψεων συναρτήσει της ταχύτητας κοπής με την αντίσταση σε κρούση συναρτήσει της θερμοκρασίας. Στις περιπτώσεις που μελετώνται, θεωρήθηκαν μία μέγιστη θερμοκρασία κοπής στους 80 o C και στους 300 o C για ταχύτητες κοπής των 15 και 35 m/min αντίστοιχα. Η δυνατότητα να υπολογιστούν οι θερμοκρασίες κοπής στην επιφάνεια του εργαλείου και να αντιστοιχιστούν σε μηχανικές ιδιότητες των επικαλύψεων, λαμβάνοντας υπόψιν τα αποτελέσματα από το πείραμα κρούσης, επιτρέπει την πρόβλεψη ταχυτήτων κοπής με βελτιωμένη συμπεριφορά σε σχέση με τη φθορά των εργαλείων. 92

103 8. Συσχετισμός της φθοράς PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σκληρομετάλλου κατά την κοπή, με τη φθορά αυτών κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες Σχήμα 8.13: Θερμοκρασίες κοπής συναρτήσει του μήκους αποβλίττου, προσδιορισμένων μέσω DEFORM και σύγκριση των αποδόσεων κοπής των επικαλυμμένων εργαλείων συναρτήσει της ταχύτητας κοπής με την απόδοση στο πείραμα κρούσης σε διάφορες θερμοκρασίες. 93

104 9. Συμπεριφορά της επικάλυψης, λαμβάνοντας υπόψη το μέγεθος των κόκκων σκληρομετάλλου του υποστρώματος 9. Συμπεριφορά της επικάλυψης, λαμβάνοντας υπόψη το μέγεθος των κόκκων σκληρομετάλλου του υποστρώματος Ένας άλλος παράγοντας που μελετήθηκε προκειμένου να εξηγηθεί η συμπεριφορά στη φθορά των επικαλυμμένων πλακιδίων, ήταν το μέγεθος των κόκκων σκληρομετάλλου του υποστρώματος, πάνω στο οποίο εναποτέθηκε η επικάλυψη. Προκειμένου να μελετηθεί η σημασία του υποστρώματος στην απόδοση της επικάλυψης, επικαλύφτηκαν υποστρώματα σκληρομετάλλου, fine και ultra-fine, με την ίδια PVD AlTiN επικάλυψη. Μικρο-κοκκοβολή των υποστρωμάτων εφαρμόστηκε πριν την εναπόθεση της επικάλυψης προκειμένου να γίνει βελτίωση της συνοχής της επικάλυψης /54,101/. Τα υποστρώματα που χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη αυτή μικρό-κοκκοβολήθηκαν από κόκκους Al 2 O 3 σε πίεση 5 bar και για περίπου 4 δευτερόλεπτα. Το μέγεθος των κόκκων του fine υποστρώματος ανέρχεται σε μm, ενώ το αντίστοιχο στην περίπτωση του ultra-fine ανέρχεται σε μm. Σχηματική απεικόνιση των δύο υποστρωμάτων που μελετήθηκαν παρουσιάζεται στο σχήμα 9.1. Σχήμα 9.1: Σχηματική απεικόνιση των κόκκων του υποστρώματος για fine και ultrafine πλακίδια και τα χαρακτηριστικά αυτών. 94

105 9. Συμπεριφορά της επικάλυψης, λαμβάνοντας υπόψη το μέγεθος των κόκκων σκληρομετάλλου του υποστρώματος Η εναπόθεση της επικάλυψης πραγματοποιήθηκε από την Sulzer Metaplas GmbH. Τα στρώματα AlTiN επικάλυψης εναποτέθηκαν στα υποστρώματα με χρήση τοξοτών ψεκαστήρων με διαμέτρους 63 και 100 mm αντίστοιχα. Τα πειράματα κοπής έγιναν σε επισκληρυμένο χάλυβα 42CrMo4 QT /49/. Σχήμα 9.2: Διαγράμματα Φόρτισης-Βάθους διείσδυσης και Τάσης-Παραμόρφωσης για τα εξεταζόμενα υλικά υποστρώματος. Με σκοπό να προσδιοριστούν οι μηχανικές ιδιότητες στα υποστρώματα σκληρομετάλου, πραγματοποιήθηκαν πειράματα νανοδιείσδυσης. Στο αριστερό μέρος του σχήματος 9.2, παρουσιάζονται οι μέσοι όροι των μετρήσεων (από 40 μετρήσεις) βάθους διείσδυσης συναρτήσει της δύναμης διείσδυσης για το κάθε υπόστρωμα. Για δύναμη διείσδυσης ίση με 15 mn, το fine υπόστρωμα φαίνεται να είναι μαλακότερο από το αντίστοιχο ultra-fine, καθώς ο Berkovich διεισδυτής εισχωρεί σε μεγαλύτερο βάθος. Οι καμπύλες τάσης παραμόρφωσης μπορούν να προσδιοριστούν με χρήση του αναπτυγμένου αλγορίθμου SSCUBONI (Stress Strain CUrves Based On NanoIndentation) /30,34/. Παρά το γεγονός ότι και τα δύο υποστρώματα έχουν το ίδιο μέτρο ελαστικότητας 580 GPa, το υπόστρωμα ultra-fine έχει βελτιωμένο όριο διαρροής και όριο θραύσης συγκριτικά με αυτά του υποστρώματος fine. Για τον προσδιορισμό των διαφορών που πιθανόν να υπάρχουν στις μηχανικές ιδιότητες της επικάλυψης εξαιτίας των διαφοροποιήσεων λόγω μεγέθους κόκκων των υποστρωμάτων, εφαρμόστηκαν πειράματα νανοδιείσδυσης πάνω στα επικαλυμμένα 95

106 9. Συμπεριφορά της επικάλυψης, λαμβάνοντας υπόψη το μέγεθος των κόκκων σκληρομετάλλου του υποστρώματος με AlTiN πλακίδια και για τις δύο περιπτώσεις υποστρωμάτων (βλέπε αριστερό μέρος σχήματος 9.3. Με χρήση του ίδιου αλγορίθμου που προαναφέρθηκε, προσδιορίστηκαν και οι καμπύλες τάσης παραμόρφωσης του στρώματος της επικάλυψης. Καλύτερες μηχανικές ιδιότητες εμφανίζονται όταν το στρώμα AlTiN εναποτίθεται στο υπόστρωμα ultra-fine, όπως περιγράφεται και στο δεξιό τμήμα του σχήματος 9.3. Αυτή η συμπεριφορά μπορεί να εξηγηθεί με βάση τη χαμηλή ποσότητα Κοβαλτίου που περιέχεται στο υπόστρωμα και το γεγονός ότι η επικάλυψη αναπτύσσεται κυρίως πάνω στους κόκκους WC /54/. Σχήμα 9.3: Διαγράμματα Φόρτισης-Βάθους διείσδυσης και Τάσης-Παραμόρφωσης για τις AlTiN επικαλύψεις πάνω σε υποστρώματα fine και ultra-fine. Γενικά, οι επιφάνειες αστοχούν ως γδαρσίματα, στα όρια των κόκκων και πιο συγκεκριμένα στην συγκεκριμένη περίπτωση οι WC κόκκοι, αυξάνουν το ποσοστό ελεύθερων φυτρών /62,77,81/ οδηγώντας σε μια πιο ομοιογενή και πυκνή μικροδομή της επικάλυψης /49/. Οι επικαλύψεις στα υποστρώματα fine και ultra-fine εμφανίζουν το ίδιο μέτρο ελαστικότητας 630 GPa. Η επικάλυψη πάνω στο υπόστρωμα ultra-fine έχει μεγαλύτερο όριο διαρροής (5 GPa) και ακόμη μεγαλύτερο όριο θραύσης (9.2 GPa) συγκριτικά με την επικάλυψη στο υπόστρωμα fine. Για να διευκρινιστούν οι ιδιότητες συνάφειας της επικάλυψης, συναρτήσει της θερμοκρασίας εφαρμόστηκαν πειράματα επαναλαμβανόμενης κρούσης σε διάφορες θερμοκρασίες. Αντιπροσωπευτικό δείγμα των δοκιμών επαναλαμβανόμενης κρούσης σε διάφορες θερμοκρασίες, που πραγματοποιήθηκαν παραθέτονται στα σχήματα 9.4 και 9.5 που ακολουθούν. 96

107 9. Συμπεριφορά της επικάλυψης, λαμβάνοντας υπόψη το μέγεθος των κόκκων σκληρομετάλλου του υποστρώματος Σχήμα 9.4: Μικροφωτογραφίες SEM των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από τη δοκιμασία πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσεις, σε επικάλυψη AlTiN για Fine υπόστρωμα, για διάφορες θερμοκρασίες και δυνάμεις κρούσης. Σχήμα 9.5: Μικροφωτογραφίες SEM των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από τη δοκιμασία πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσεις, σε επικάλυψη AlTiN για Ultra-Fine υπόστρωμα, για διάφορες θερμοκρασίες και δυνάμεις κρούσης. 97

108 9. Συμπεριφορά της επικάλυψης, λαμβάνοντας υπόψη το μέγεθος των κόκκων σκληρομετάλλου του υποστρώματος Σύμφωνα με τα διεξαγόμενα αποτελέσματα, η επικάλυψη και στις δύο περιπτώσεις υποστρώματος, προκαλεί μια μη γραμμική σχέση αντοχής σε κρούση σε συνάρτηση με την θερμοκρασία /107/. Αυτή η συμπεριφορά περιγράφεται ξεκάθαρα στο διάγραμμα που φαίνεται στο πάνω τμήμα του σχήματος 9.6, όπου παρουσιάζεται η μέγιστη δύναμη κρούσης για λόγο αστοχίας της επιφάνειας FR μικρότερο από 2% σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία της δοκιμής επαναλαμβανόμενης κρούσης. Στο κάτω μέρος του σχήματος, οι αντίστοιχες τιμές του λόγου αστοχίας FR μπορούν να φανούν, σε φωτογραφίες από SEM μικροσκόπιο, τα αποτυπώματα που προκλήθηκαν κατά την διαδικασία της επαναλαμβανόμενης κρούσης σε διάφορες θερμοκρασίες. Οι επικαλύψεις και στις δύο περιπτώσεις υποστρωμάτων εμφανίζουν αυξημένη αντοχή σε κρούση μέχρι την θερμοκρασία των 100 ο C, ενώ μετά από αυτή τη θερμοκρασία η κρίσιμη δύναμη κρούσης ακολουθεί καθοδική πορεία. Η επικάλυψη που εναποτέθηκε στο υπόστρωμα ultra-fine συμπεριφέρεται καλύτερα στις φορτίσεις κρούσης συγκριτικά με την επικάλυψη που εναποτέθηκε στο υπόστρωμα fine. Σχήμα 9.6: Αποτελέσματα δοκιμασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης και φωτογραφίες σε SEM για διάφορες θερμοκρασίες, AlTiΝ επικαλυμμένων υποστρωμάτων fine και ultrafine. Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι η φόρτιση κρούσης οδηγεί σε αστοχία της επικάλυψης μετά από 10 6 κρούσεις, μπορούν να προσδιοριστούν τα διαγράμματα Woehler για τις επικαλύψεις, που εναποτέθηκαν στα υποστρώματα fine και ultra-fine, σε διάφορες θερμοκρασίες όπως φαίνεται στο σχήμα 9.7. Η αντοχή σε κόπωση της 98

109 9. Συμπεριφορά της επικάλυψης, λαμβάνοντας υπόψη το μέγεθος των κόκκων σκληρομετάλλου του υποστρώματος επικάλυψης υπολογίστηκε για τις δεδομένες θερμοκρασίες μέσω του λογισμικού ITEC+, λαμβάνοντας υπόψη την εξάρτηση της κρίσιμης δύναμης κρούσης συναρτήσει την θερμοκρασίας κρούσης που περιγράφηκε στο σχήμα 9.6. Στους σχετικούς αυτούς υπολογισμούς έγινε η υπόθεση ότι το όριο διαρροής για όλες τις επικαλύψεις παραμένει πρακτικά σταθερό για αυξανόμενη θερμοκρασία έως 400 o C. Επιπλέον, έγινε η υπόθεση ότι ο λόγος μεταξύ του ορίου διαρροής της επικάλυψης SY και της τάσης κόπωσης συναρτήσει της θερμοκρασίας, τουλάχιστον μέχρι τους o 200 C, παραμένει σταθερός και ίσος με τον αντίστοιχο λόγο που προσδιορίστηκε σε θερμοκρασία περιβάλλοντος για την κάθε περίπτωση επικάλυψης. Εκτελέστηκαν πειράματα διείσδυσης με αδαμάντινο κώνο Rockwell σε διάφορες δυνάμεις διείσδυσης για τα εξεταζόμενα fine και ultra-fine-κοκκοβολημένα υποστρώματα σκληρομετάλου. Τα αποτυπώματα που προέκυψαν μελετήθηκαν με χρήση οπτικού 3D οπτικού μικροσκοπίου. Σχήμα 9.7: Woehler διαγράμματα των επικαλύψεων AlTiN που εναποτέθηκαν σε υποστρώματα fine- και ultra-fine, σε διάφορες θερμοκρασίες. Η Rockwell διείσδυση στο υπόστρωμα ultra-fine σε φόρτιση ίση με 1471 N (HRC) οδηγεί σε επιφανειακή ρήξη του υλικού, εξ αιτίας της υψηλής ευθραυστότητάς του. Τέτοια επιφανειακή ρήξη του υλικού δεν εμφανίστηκε όταν φορτίστηκε με N (HRD). Σχήμα 9.8: Αποτυπώματα που προκλήθηκαν κατά την διαδικασία Rockwell διείσδυσης στις δύο περιπτώσεις υποστρωμάτων για διάφορες φορτίσεις. 99

110 9. Συμπεριφορά της επικάλυψης, λαμβάνοντας υπόψη το μέγεθος των κόκκων σκληρομετάλλου του υποστρώματος Στο πιο ελατό υπόστρωμα fine, ακόμα και η μέγιστη φόρτιση διείσδυσης των 1471 N, δεν οδηγεί σε καταστροφή της επιφάνειάς του, όπως μπορεί να φανεί στο σχήμα 9.8. Rockwell διεισδύσεις, για δύναμη διείσδυσης ίση με 1471 Ν, εφαρμόστηκαν επίσης και στα επικαλυμμένα με AlTiN πλακίδια, για τις δύο περιπτώσεις υποστρωμάτων, προκειμένου να προσδιοριστούν οι ιδιότητες συνοχής τους. Στο σχήμα 9.9 παραθέτονται φωτογραφίες των αποτυπωμάτων από τις Rockwell διεισδύσεις και για τις δύο επικαλύψεις. Τα επικαλυμμένα πλακίδια φαίνονται να έχουν σχεδόν την ίδια συμπεριφορά και τα ίδια χαρακτηριστικά συνοχής και για τις δύο περιπτώσεις υποστρωμάτων. Τα πολλά σπασμένα αποτυπώματα που προέκυψαν στα επικαλυμμένα πλακίδια με ultra-fine υπόστρωμα, οφείλονται στην ευθραυστότητα που περιγράφηκε προηγουμένως. Σύμφωνα με όλα αυτά τα αποτελέσματα, παρ όλο που εμφανίστηκαν αλλαγές στη δομή των αποτυπωμάτων στην περίπτωση των επικαλύψεων, η συνοχή των AlTiN επικαλύψεων μπορεί να θεωρηθεί ως επαρκής. Σχήμα 9.9: Rockwell αποτυπώματα στα επικαλυμμένα πλακίδια με fine και ultra- fine υποστρώματα. Πειράματα φραιζαρίσματος πραγματοποιήθηκαν για τα ακάλυπτα πλακίδια fine και ultra-fine προκειμένου να προσδιοριστεί η επίδραση του μεγέθους των κόκκων στην διάρκεια ζωής των κοπτικών εργαλείων /49/. Τα πειράματα κοπής σε φραιζάρισμα έδειξαν ότι, από τη μία για χαμηλό αριθμό κοπών υπάρχει βελτίωση της κοπτικής συμπεριφοράς στην περίπτωση του ultra-fine υποστρώματος εξ αιτίας των ανώτερων μηχανικών ιδιοτήτων. Από την άλλη όμως, μετά την πρώτη αστοχία της επικάλυψης, η περίπτωση του fine υποστρώματος αντέχει καλύτερα τις φορτίσεις κατά την κοπή, λόγω της χαμηλής του ευθραυστότητας. Τα συμπεράσματα αυτά έρχονται σε ταύτιση με την αντίδραση της επικάλυψης στις Rockwell διεισδύσεις καθώς και στις δοκιμασίες της κρούσης. 100

111 10. Σύνοψη και συμπεράσματα 10. Σύνοψη και Συμπεράσματα Η εναπόθεση σκληρών λεπτών επικαλύψεων με τη μέθοδο της φυσικής εναπόθεσης ατμών αποτελεί ιδιαίτερα σημαντικό τμήμα της βιομηχανίας μηχανολογικών εξαρτημάτων και κοπτικών εργαλείων, καθώς αυξάνεται η διάρκεια ζωής τους και βελτιώνεται η απόδοσή τους. Η ανάγκη βελτίωσης των επικαλύψεων και των τρόπων εναπόθεσής τους είναι διαρκής. Για το σκοπό αυτό κρίθηκε απαραίτητο να πραγματοποιηθεί επισταμένη μελέτη σχετικά με το τι πραγματικά γίνεται με τις εσωτερικές τάσεις και τη δομή των επικαλύψεων, αλλά και ποια είναι η συμπεριφορά τους σε υψηλές θερμοκρασίες. Η δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης εφαρμόζεται ως μια κατάλληλη μέθοδος για τον χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων σε κόπωση των επικαλύψεων και αποτελέσματα έχουν δημοσιευθεί σε πλήθος δημοσιεύσεων /10,11,18,30,44/. Επιπλέον, οι τρόποι αστοχίας της επικάλυψης λόγω συνάφειας και συνοχής μπορούν να διευκρινιστούν μέσω της παραπάνω δοκιμής καθώς και η συμπεριφορά σε ερπυσμό των επικαλύψεων ψεκασμού πλάσματος /19,29/. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας το δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούση εξελίχθηκε και διαμορφώθηκε κατάλληλα ώστε δόθηκε η δυνατότητα και πραγματοποιήθηκαν πειράματα εν θερμώ. Μελετήθηκε ένας μεγάλος αριθμός επικαλύψεων, μονοστρωματικές και διστρωματικές από διάφορες οικογένειες, για διάφορες θερμοκρασίες και φορτία. Ο διεισδυτής που χρησιμοποιήθηκε ήταν σφαίρα κεραμική, προκειμένου να μην μένουν υπολείμματα στο σημείο επαφής και να αποφεύγεται η σύγχυση του υπολείμματος σφαίρας και αστοχίας της επικάλυψης. Τα αποτυπώματα όλα φωτογραφήθηκαν σε οπτικό μικροσκόπιο SEM και μέσω ειδικού λογισμικού WEPROC αξιολογήθηκαν και προσδιορίστηκε κάθε φορά το ποσοστό αστοχίας. Πολλά αποτελέσματα παρουσιάστηκαν συγκρινόμενα μεταξύ τους ώστε να είναι εμφανής η κοινή επίδραση της θερμότητας στις επικαλύψεις. Το μεγαλύτερο μέρος των επικαλύψεων που μελετήθηκαν ανήκει στην οικογένεια TiN. Οι επικαλύψεις ΤiAlN και TiAlN-SN 2 έδειξαν επιρροή από τη θερμοκρασία και μάλιστα την ίδια ακριβώς συμπεριφορά. Συγκεκριμένα, ανάμεσα στους 100 ο C και στους 150 o C παρατηρείται η μέγιστη αντοχή της επικάλυψης, ενώ στους 300 o C η χειρότερη, ενώ ένα δεύτερο μέγιστο έχουμε στους 400 ο C. Μία δεύτερη ομάδα επικαλύψεων της ίδιας οικογένειας μελετήθηκε κι έδειξε την ίδια συμπεριφορά. Μία επικάλυψη TiΝ συγκρίθηκε με αντίστοιχη που περιείχε προσμίξεις Al. Μπορεί να διαφοροποιείται το φορτίο αντοχής για κάθε θερμοκρασία, αλλά η συμπεριφορά είναι πάντα η ίδια, με μεγαλύτερη αντοχή ανάμεσα στους 100 ο C και στους 150 o C και χειρότερη στους 300 o C. Η διστρωματική όμως επικάλυψη που μελετήθηκε και η οποία αποτελούνταν από ένα στρώμα TiAlN πάχους 3 μm και ένα στρώμα TiN 1μm, έδειξε μία ιδιαίτερα καλή συμπεριφορά σε θερμοκρασία δωματίου. Στη συνέχεια μελετήθηκε μία οικογένεια επικαλύψεων CrAlN με προσμήξεις Y και Zr. Η συμπεριφορά τους ήταν πανομοιότυπη με αυτή των προηγουμένων δείχνοντας καλύτερη αντοχή κοντά στους 100 o C και χειρότερη στους 300 o C. Όλες οι επικαλύψεις, συμπεριλαμβανομένου και της διστρωματικής, παρουσίασαν ένα 101

112 10. Σύνοψη και συμπεράσματα δεύτερο μέγιστο στους 400 o C. Για όλες τις περιπτώσεις επικαλύψεων που υποβλήθηκαν σε δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης, πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις μέσω ειδικού λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν με τα θεωρητικά υπολογισμένα. Τα άτομα της επικάλυψης καθώς λαμβάνουν ενέργεια μέσω της θερμότητας που τους προσφέρεται αυξάνουν την κινητικότητά τους, αυξάνονται οι αταξίες και αλλάζει η δομή τους. Ανάμενα στους 100 ο C με 150 o C η επικάλυψη έχει αποδομηθεί και παρουσιάζει μεγάλη αντοχή. Πάνω από αυτή τη θερμοκρασία, μηχανισμοί διάχυσης ελευθέρων ατόμων ανταγωνιστικοί των μετακινήσεων των αταξιών διευκολύνουν την δημιουργία πυρηνώσεων και μειώνουν την αντοχή σε κόπωση μέχρι την θερμοκρασία των 300 ºC. Επιπλέον, μέχρι τους 400 o C, οι μηχανικές ιδιότητες των εξεταζόμενων επικαλύψεων βελτιώνονται λόγω της αύξησης της κινητικής ενέργειας των ατόμων και επιπλέον επιβραδύνεται η δημιουργία πυρηνώσεων. Δημιουργήθηκε όμως η ανάγκη να εξετασθεί το τι ακριβώς συμβαίνει κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης και κατά πόσο η δοκιμασία η ίδια, λόγω της σημειακής φόρτισης και της προσφοράς μηχανικής ενέργειας, οφείλεται για την μεταβολή των ιδιοτήτων της επικάλυψης. Επικάλυψη υποβλήθηκε σε επαναλαμβανόμενη κρούση και στη συνέχεια το αποτύπωμα που προέκυψε μελετήθηκε μέσω διαδικασίας νανοδιείσδυσης ως προς την σκληρότητά τους. Τα αποτελέσματα ήταν ιδιαίτερα ενδιαφέροντα καθώς έδειξαν ότι η σκληρότητα στην περιοχή του αποτυπώματος δεν είναι παντού η ίδια. Στο κέντρο το αποτύπωμα είναι πιο σκληρό σε σχέση με την περιφέρειά του. Μελετήθηκαν πολλά αποτυπώματα που προέκυψαν από την κρούση σε διάφορα φορτία και για 10 5 και για 10 6 κρούσεις κι έδειξαν όλα την ίδια συμπεριφορά. Μάλιστα, όσο αυξάνει το φορτίο, η διαφοροποίηση των τιμών του βάθους διείσδυσης, το οποίο μεταφράζεται ως σκληρότητα, μεγαλώνει για τον ίδιο πάντα αριθμό κρούσεων. Η όλη διαδικασία προσομοιώθηκε με λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων και τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν και θεωρητικά. Οι ιδιότητες λοιπόν, της επικάλυψης δεν επηρεάζονται από την σημειακή της φόρτιση. Επίσης, τα τασικά πεδία που προέκυψαν από την προσομοίωση επιβεβαιώνουν ότι η επικάλυψη δεν φορτίζεται πλαστικά και παραμένει στην ελαστική περιοχή. Αντίθετα, αυτό που φορτίζεται είναι το υπόστρωμα. Καθώς λοιπόν φορτίζεται το υπόστρωμα παρασύρει την επικάλυψη και στο κέντρο του αποτυπώματος η επικάλυψη καταπονείται με θλιπτικές τάσεις, ενώ στην περιφέρειά της με εφελκυστικές. Οι φορτίσεις αυτές οδηγούν στην αστοχία της επικάλυψης. Τέλος, έγινε μία προσπάθεια να μελετηθεί η επίδραση του υποστρώματος στην συμπεριφορά της επικάλυψης. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η επικάλυψη TiAlN η οποία εναποτέθηκε σε δύο διαφορετικά υποστρώματα. Η διαφορά των δύο υποστρωμάτων εντοπίζεται στο μέγεθος των κόκκων του σκληρομετάλλου. Το ένα υπόστρωμα αποτελείτο από κόκκους των οποίων το μέγεθος κυμαινόταν ανάμεσα σε μm, ενώ στο άλλο οι κόκκοι είχαν μέγεθος μm. Τα πειράματα και οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι η επικάλυψη που εναποτέθηκε στο υπόστρωμα με μικρούς κόκκους παρουσίασε καλύτερη 102

113 10. Σύνοψη και συμπεράσματα συμπεριφορά και μεγαλύτερη αντοχή, επιβεβαιώνοντας για άλλη μια φορά τη σημασία της προετοιμασίας του υποστρώματος στη συμπεριφορά της επικάλυψης. Επειδή όμως η σπουδαιότητα των επικαλύψεων επικεντρώνεται στα κοπτικά εργαλεία και το ενδιαφέρον των βιομηχανιών επικεντρώνεται κυρίως στην απόδοση των κοπτικών εργαλείων, τα πειραματικά αποτελέσματα τα οποία προέκυψαν από τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες, συγκρίθηκαν με την πραγματική συμπεριφορά των επικαλύψεων σε κοπή. Οι κοπές πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής μηχανολογίας. Η συμπεριφορά των επικαλύψεων σε κοπή είναι πανομοιότυπη και δείχνει την ίδια τάση όπως κι αυτή που προέκυψε από τα πειράματα επαναλαμβανόμενης κρούσης. Η διαπίστωση αυτή καθιστά τη διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες μία έγκυρη μέθοδο αξιολόγησης των επικαλύψεων. 103

114 11. Βιβλιογραφία 11. Βιβλιογραφία 1. Αναστόπουλος Ι., Αύξηση διάρκειας ζωής κοπτικών εργαλείων μέσω PVD επικαλύψεων με μόνο- και πολυστρωματικές δομές, με διάφορες χημικές συστάσεις, καθώς και μηχανικές ιδιότητες, Διδακτορική διατριβή, Α.Π.Θ., Ιούλιος Μεθενίτης Γ., Ανάλυση του μηχανισμού και καθοδηγούμενου φραιζαρίσματος με σκοπό, Διδακτορική Διατριβή, Θεσσαλονίκη Μπουζάκης Κ.-Δ., Μορφοποιήσεις με αφαίρεση υλικού, 2η έκδοση, Εκδόσεις ΖΗΤΗ Θεσσαλονίκη, Μπουζάκης Κ.-Δ., Μορφοποιήσεις με πλαστική παραμόρφωση υλικού, Εκδόσεις ΖΗΤΗ Θεσσαλονίκη, Μπουζάκης Κ.-Δ., Ευέλικτα συστήματα παραγωγής με ψηφιακά καθοδηγούμενες εργαλειομηχανές, Εκδόσεις Γιαχούδη-Γιαπούλη, Θεσσαλονίκη. 6. Μπουζάκης Κ.-Δ., Μυρισίδης ι., Λίλη Ε., Μιχαηλίδης Ν., Σάμπρης Α., Σκορδάρης Γ., Παυλίδου Ε., Erkens G., Wirth I., Αντίσταση σε επαναλαμβανόμενης κρούση και απόδοση κοπής κατά το φραιζάρισμα PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων σε διάφορες θερμοκρασίες., Εργαλειομηχανές Μηχανουργικές κατεργασίες, 8 η επετηρίδα, Θεσσαλονίκη, (2008), Μιχαηλίδης Ν., Εξέλιξη πειραματικών αναλυτικών διαδικασιών προσδιορισμού μηχανικών ιδιοτήτων σκληρών λεπτών επικαλύψεων και διερεύνηση των μηχανισμών αστοχίας τους κατά την κοπή, Διδακτορική διατριβή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Μυρισίδης Ι., Απόδοση PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων κατά το φραιζάρισμα σε υψηλές ταχύτητες και προώσεις και συσχετισμός της με την αντίσταση σε επαναλαμβανόμενη κρούση, Διδακτορική Διατριβή, Θεσσαλονίκη, Πετρόπουλος Π., " Μηχανουργική Τεχνολογία - Τεχνολογία κατεργασιών κοπής των μετάλλων ", Τόμος ΙΙ-1, Εκδόσεις Ζήτη, Θεσσαλονίκη Σιγανός Α.. Πειραματική- θεωρητική Διερεύνηση των μηχανισμών Αστοχίας κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης για τον έλεγχο συνοχής Λεπτών σκληρών PVD επικαλύψεων. Διδακτορική διατριβή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης. 11. Σκορδάρης Γ. Ν., Βελτιστοποίηση τεχνολογικών και γεωμετρικών 104

115 11. Βιβλιογραφία παραμέτρων PVD επικαλυμμένων εργαλείων σκληρομετάλλου για την αύξηση της κοπτικής ισχύος τους, Διδακτορική διατριβή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης. 12. Χατζηγιάννης Σ., Προσδιορισμός κατανομών μηχανικών ιδιοτήτων στην κατεύθυνση του βάθους PVD επικαλύψεων μέσω νανοδιεισδύσεων και εξήγηση της συμπεριφοράς φθοράς τους κατά τη δοκιμασία της επαναλαμβανόμενης κρούσης και το φραιζάρισμα, Διδακτορική διατριβή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, Alcala J., Giannakopoulos A. E., Suresh S., Continuous measurements of loadpenetration curves with spherical microindenters and the estimation of mechanical properties, J. Mater. Res., 13 (1998) ASTM E 18-97a, Standard Test Methods for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials, American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA (1998). 15. Baker M.A., Kench PJ, Joseph M.C., Tsotsos C., Leyland A., Matthews A., Surface & Coating Technology, 162 (2003) Bhushan B., Gupta B. K., Handbook of hard coatings, Deposition Technologies-Properties and Applications, Macro and Micromechanical and Tribological Properties, Edited by R. F. Bunshah, Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, USA, (2001) pp Bouzakis, K.-D., Anastopoulos, J., Asimakopoulos, A., Michailidis, N., Erkens, G., 2006, Wear development of cemented carbide inserts coated with mono and multilayer PVD films, considering their strength properties, adhesion and the cutting loads, Surface and Coatings Technology, 201: Bouzakis K.-D., Asimakopoulos A., Michailidis N., Kompogiannis S., Maliaris G., Giannopoulos G., Pavlidou E., Erkens G., The inclined impact test, an efficient method to characterize coatings' cohesion and adhesion properties, Thin Solid Films, 2004, , pp Bouzakis K.-D., Asimakopoulos A., Skordaris G., Pavlidou Ε., Erkens G., The inclined impact test: Anovel method for the quantification of the adhesion properties`of PVD films, Wear, 262 (2007) Bouzakis K.-D., Efstathiou K., Vidakis N., Kallinikidis D., Angos S., Leyendecker T., Erkens G., Fuss H., Experimental and FEM analysis of the fatigue behaviour of PVD coatings on HSS substrate in milling, Annals of the CIRP, 47 (1998) Bouzakis K.-D., Gerardis S., Katirtzoglou G., Makrimallakis S., 105

116 11. Βιβλιογραφία Michailidis N., Lili E., Increasing Tool Life by Adjusting the Milling Cutting Conditions According to PVD Films Properties, CIRP Annals Manufacturing Technology, 57 (2008) Bouzakis K.-D., Hadjiyiannis S., Skordaris G., Anastopoulos J., Mirisidis I., Michailidis, Efstathiou K., Knotek O., Erkens G., Cremer R., Rambadt S., Wirth I., Strength properties and milling performance of PVD coated inserts with various coating thickness, Proceedings of the 3rd international THE Coatings in Manufacturing Engineering conference, November 28-29, ZITI Publication-Thessaloniki-Greece, 2002, pp Bouzakis K.-D., Hadjiyiannis S., Skordaris G., Anastopoulos J., Mirisidis I., Michailidis N., Efstathiou K., Knotek O., Erkens G., Cremer R., Rambadt S., Wirth I., The influence of the coating thickness on its strength properties and on the milling performance of PVD coated inserts, Surface and Coatings Technology, (2003) Bouzakis K.-D., Hadjiyiannis S., Skordaris G., Mirisidis Ι., Michailidis N., Efstathiou K., Pavlidou E., Erkens G., Cremer R., Rambadt S., Wirth I., The effect of coating thickness, mechanical strength and hardness properties on the milling performance of PVD coated cemented carbides inserts, Surface and Coatings Technology, (2004) Bouzakis K.-D., Hadjiyiannis S., Skordaris G., Mirisidis I., Michailidis N., Milling performance of cemented carbides inserts, coated with various thick and hard films, Proceedings of the Sixth International Conference for Mesomechanics, Patras-Greece, 2004, pp Bouzakis K.-D., Hadjiyiannis S., Skordaris G., Mirisidis I., Michailidis N., Erkens G., The influence of hardness distributions within PVD coatings on the cutting performance of coated tools with various film thickness, Proceedings of 4th International Conference THE Coatings, Erlangen, April 5-7, 2004, pp Bouzakis K. D., Hadjiyiannis S., Skordaris G., Mirisidis I., Michailidis N., Erkens G., Wear development on cemented carbide inserts, coated with variable film thickness in the cutting edge region, Surface and Coatings Technology, (2004) Bouzakis K.-D., Lili E., Sampris A., Michailidis N., Pavlidou E., Skordaris G., Impact test on PVD coatings, at elevated temperatures, Proceedings of 5th International Conference "THE Coatings" 5-7 October 2005 Kallithea- Halkidiki-Greece, 2005, pp: Bouzakis K.-D., Lontos A., Michailidis N., Knotek O., Lugscheider E., 106

117 11. Βιβλιογραφία Bobzin K., Determination of mechanical properties of electron beam-physical vapor deposition-thermal barrier coatings (EB-PVD-TBCs) by means of nanoindentation and impact testing, Surface and Coatings Technology, (2002) pp Bouzakis K.-D., Michailidis N., Deviations in determining coatings' and other materials' mechanical properties, when considering different indenter tip geometries and calibration procedures, Surface and Coatings Technology, 202, (2007). 31. Bouzakis K.-D., Michailidis N., Anastopoulos J., Kompogiannis S., Erkens G., Rudnik P.J., Geometry and coating parameters effect on cemented carbides sticks cutting performance used in bevel gear manufacturing, Surface and Coatings Technology, 153 (2002) Bouzakis K.-D., Michailidis N., Anastopoulos J., Kompogiannis S., Erkens G., Rudnik P.J., PVD coated inserts cutting performance improvement, by means of substrate and coating surface mechanical treatments, proceedings of the international conference THE Coatings in Manufacturing Engineering, held 9-10 May in Hannover, (2001), T7/ Bouzakis K.-D., Michailidis N., Erkens G., Stress-strain curves determination of thin hard coatings based on a FEM supported evaluation of the nanoindentation procedure, 3 rd International Conference THE Coatings, November 28 29, Thessaloniki, Greece, 2002, pp Bouzakis K.-D., Michailidis N., Erkens G., Thin hard coatings stress-strain curves determination through a FEM supported evaluation of nanohardness results, Surface and Coatings Technology, (2001) Bouzakis K.-D., Michailidis N., Gerardis S., Batsiolas M., Papa M., Lili E., Mirisidis J., Mueller J., Cremer R., An innovative methodology for the performance evaluation of coated cemented carbide inserts in milling of Inconel 718, CIRP Annals Manufacturing Technology, vol. 56/1/2007, Bouzakis K.-D., Michailidis N., Gerardis S., Katirtzoglou G., Lili E., Pappa M., Brizuela M., Garcia-Luis A., Cremer R., Correlation of the impact resistance of variously doped CrAlN PVD coatings with their cutting performance in milling aerospace alloys, Surface and Coatings Technology, 203 (5-6) (2008) pp Bouzakis K.-D., Michailidis N., Gerardis S., Katirtzoglou G., Lili E., Pappa M., Cremer R., Advanced Engineering Materials, 10 No. 7 (2008) Bouzakis K.-D., Michailidis N., Hadjiyiannis S., Efstathiou K., Pavlidou 107

118 11. Βιβλιογραφία E., Erkens G., Rambadt S., Wirth I., Improvement of PVD coated inserts cutting performance, through appropriate mechanical treatments of substrate and coating surface, Surface and Coating Technologies, (2001) Bouzakis K.-D., Michailidis N., Hadjiyiannis S., Efstathiou K., Pavlidou E., Erkens G., Rambadt S., Wirth I., PVD coated inserts cutting performance improvement, by means of substrate and coating surface mechanical treatments, proceedings of the international conference THE Coatings in Manufacturing Engineering, held 9-10 May in Hannover, 2001, T5/ Bouzakis K.-D., Michailidis N., Hadjiyiannis S., Pavlidou E., Erkens G., An effective way to improve the cutting performance of coated tools through annealing, Surface and Coating Technologies, (2001) Bouzakis K. D., Michailidis N., Hadjiyiannis S., Skordaris G., Erkens G., A continuous FEM simulation of the nanoindentation to determine actual indenter tip geometries, material elastoplastic deformation laws and universal hardness, Zeitschrift für Metallkunde, 93 (2002) Bouzakis K.-D., Michailidis N., Hadjiyiannis S., Skordaris G., Erkens G., Determination of the actual indenter tip geometries, the material elastoplastic deformation laws and the universal hardness through a continuous fem simulation of the nanoindentation procedure, Proceedings of the 3rd international THE Coatings in Manufacturing Engineering conference, November 28 29, ZITI Publication-Thessaloniki Greece, 2002, pp Bouzakis K. D., Michailidis N., Hadjiyiannis S., Skordaris G., Erkens G., The effect of the specimen roughness and the indenter tip geometry on the determination accuracy of thin hard coatings stress-strain laws by means of nanoindentations, Materials Characterization, 49 (2003) Bouzakis K. D., Michailidis N., Lontos A., Siganos A., Hadjiyiannis S., Giannopoulos G., Maliaris G., Leyentecker T., Erkens G., Coating dynamic cohesion, adhesion and creep properties characterization through the impact tester, Zeitschrift fur Metallkunde, 92, 2001, Bouzakis K.-D., Michailidis N., Skordaris G., Kombogiannis S., Hadjiyiannis S., Efstathiou K., Pavlidou E., Erkens G., Rambadt S., Wirth I., Optimization of the cutting edge roudness and its manufacturing procedures of cemented carbide inserts, to improve their milling performance after a PVD coating deposition, Surface and CoatingsTechnology, (2003) Bouzakis K.-D., Mirisidis I., Lili E., Michailidis N., Sampris A., Skordaris 108

119 11. Βιβλιογραφία G., Pavlidou E., Erkens G., Wirth I., Impact resistance of PVD films and milling performance of coated tools at various temperature levels, CIRP Annals Manufacturing Technology, vol. 55/1/2006, Bouzakis, K.-D., Mirisidis, I., Michailidis, N., Lili, E., Sampris, A., Erkens, G., Cremer, R.,2007, Wear of coated tools with various PVD films, at increased cutting speeds and feed rates, correlated with impact test results by FEM simulations, Plasma Processes & Polymers, 4 (2007) Bouzakis K.-D., Mirisidis I., Michailidis N., Skordaris G., Efstathiou K., Erkens G., High performance milling by coated tools and increased feed rates, 2nd International Conference on High Performance Cutting, CIRP HPC 2006, Vancouver, British Columbia, Canada, CD-Rom proceedings, June 12-13, Bouzakis K.-D., Pappa M., Gerardis S., Katirtzoglou G., Lili E., Michailidis N., Efstathiou K., Erkens G.,Wear of PVD coated tools in milling affected by the grain size of cemented carbide substrates, 7 th International Conference THE COATINGS, 1-3 October 2008, Kallithea of Chalkidiki, Greece, p.p Bouzakis K.-D., Siganos A., Fracture initiation mechanisms of thin hard coatings during the impact test Surface and Coatings Technology, 185 (2004) Bouzakis K. D., Siganos A., Leyentecker T., Erkens G., Thin hard coating fracture propagation during the impact test, Thin Solid Films, 460, 2004, Bouzakis K.-D., Skordaris G., Bouzakis E., Lili E., Determonation of the Effective film machanical properties in the impact tst imprint of coatied specimens, Key Engineering Materials, vol. 438, (2010), pp Bouzakis K.-D., Skordaris G., Gerardis S., Katirtzoglou G.,. Makrimallakis S, Pappa M., Lili E., M'Saoubi R., Ambient and elevated temperature properties of TiN, TiAlN and TiSiN PVD films and their impact on the cutting performance of coated carbide tools, Surface & Coating Technology, In press. 54. Bouzakis K.-D., Skordaris G., Michailidis N., Asimakopoulos A., Erkens G., Effect on PVD coated cemented carbide inserts cutting performance of micro-blasting and lapping of their substrates, Surface and Coatings Technology,200, (2005). 55. Bouzakis K.-D., Skordaris G., Mirisidis I., Hadjiyiannis S. Anastopoulos J., Michailidis N., Erkens G., Cremer R., Determination of coating residual 109

120 11. Βιβλιογραφία stress alterations demonstrated in the case of annealed films and based on a FEM supported continuous simulation of the nanoindentation, Surface and Coatings Technology, (2003) Bouzakis K.-D., Skordaris G., Mirisidis I., Michailidis N., Mesomeris G., Pavlidou E., Erkens G., Surface and Coatings Technology, 2005, vol. 200, pp Bouzakis K.-D., Vidakis N., Kallinikidis D., Leyendecker T., Erkens G., Wenke R., Fuss H. - G., Fatigue failure mechanisms of multi- and monolayer physically vapour-deposited coatings in interrupted cutting processes, Surface and Coatings Technology, (1998) Bouzakis K.-D., Vidakis N., Michailidis N., Leyendecker T., Erkens G., Fuss G., Quantification of properties modification and cutting performance of (Ti1-xAlx)N coatings at elevated temperatures, Surface and Coatings Technology, (1999) Bouzakis, K.-D., et. al., Characterization of Cohesion, Adhesion and Creep- Properties of Dynamically Loaded Coatings through the Impact Tester, Zeitschrift fuer Metallkunde, 92 (2001) Brizuela M., Garcia-Luis A, Braceras I., Onate J.I., Sanchez-Lopez J.C,, Martinez- Martinez D., Lopez-Cartes C., Fernandez A, Surface & Coating Technology, 200 (2005) Brookes K., Word directory and handbook of hardmetals, 4th edition, World directory and handbook of hardmetals, Publ.: International Carbide Data, (1987). 62. Bunshah R.F., Handbook of Hard Coatings, Noyes Publications William Andrew Publishing, LLC, Norwich, New York, USA, (2001), Cai X., Bangert H., Finite-element analysis of the interface on hardness measurements of thin films, Surface and Coatings Technology, 81 (1995) Cahoon J.R., Broughton W.H., Kutzak A.R., The determination of yield strength from hardness measurements, Metallurgical Transactions, 2 (1971) Chudoba T., Schwarzer N., Richter F., Determination of elastic properties of thin films by indentation measurements with a spherical indenter, Surface and Coatings Technology, vol. 127, (2000), pp: DEFORM 3D, Operational manual, DEFORM Ehiasarian A.P., Munz W.D., Hultman L., Helmersson U., Petrov I., Surface & Coating Technology, (2003)

121 11. Βιβλιογραφία 68. Endrino J.L., Derflinger V., Surface & Coating Technology, 200 (2005) Erkens G., Cremer R., Hamoudi T., Bouzakis K.-D., Mirisidis I.,. Hadjiyiannis S, Skordaris G., Asimakopoulos A., Kombogiannis S., Anastopoulos J., Efstathiou K., Surface and Coatings Technology, 2004, vol , pp Erkens G., Wenke R., Fuss H.-G., Alunovic M., Feldhege M., Bouzakis K.- D., Super hard coating systems for innovative cutting applications, Proceedings of the 1 st international conference THE Coatings in Manufacturing Engineering, October 14-15, 1999, ZITI Publications- Thessaloniki-Greece,1999, pp Erkens G., Wenke R., Fuss H.-G., Rass, Feldhege M., Cremer R., Improved PVD process technique and coating properties by High Ion Sputtering (H.I.S.), Proceedings of the 1st international conference THE Coatings in Manufacturing Engineering, October 14-15, 1999, ZITI Publications-Thessaloniki-Greece,199, pp Gerberich, W.W., et. al., Indentation induced dislocation nucleation: the initial yield point, Acta metal. mater. 44/9 (1996) ΗELMUT FISCHER GmbH +Co, Evaluation Manual of Indentation Procedure, Germany Sindelfingen Horling A., Hultman L., Oden M., Sjolen J., Karlsson L., Mechanical properties and machining performance of Ti1-xAlxN-coated cutting tools, Surface and Coatings Technology, 191 (2005) Instructions Scanning Microscope JSM-840, No.IEPSM Kawate M., A.K. Hashimoto A.K., Suzuki T., Surface & Coating Technology, 165 (2003) Kobashi K., Nishimura K., Kawate Y., Horiuchi T., Synthesis of diamonds by use of microwave plasma chemical vapour deposition: Morphology and growth of diamond films, Physical review B, 38, ,(1988). 78. Lugscheider E., Bobzin K., Lackner K., Surface & Coating Technology, (2003) Manual Nano focus 80. Mayrhofer P.H., Tischler G., Mitterer C., Surface & Coating Technology, (2001) Messier R., Badzian A.R., Badzian T., Spear K.E., Bachmann P., Roy R., From diamond like carbon to diamond coatings, Thin Solid Films, 153, 1-9, (1987). 82. Oettel G., Wiedemann R., Residual stresses in PVD hard coating, Surface 111

122 11. Βιβλιογραφία and Coatings Technology, (1995) Oliver W.C., Pharr G.M., An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments, J. Mater. Res., 7 (1992) Oliver W.C., Pharr G.M., Brotzen F.R., On the generality of the relationship among contact stiffness, contact area, and elastic modulus during indentation, J. Mater. Res., 7 (1992) Ozel T., Altan T., Process simulation using finite elemet method-prediction of cutting forces, tool stresses and temperatures in high speed flat end milling, International Journal of Machine Tools & Manufacture, 40 (2000) Richthofen A., Cremer R., Neuschütz D., Mikrochimica Acta, 125, (1997). 87. Rickerby D. S., Internal stress and adherence of titanium nitride coatings, Journal of Vacuum Science and Technology A, $ (1986) Rointan. F. Bunshah, Handbook of Hard Coatings, Noyes Publications / William Andrew Publishing, LLC, Norwich, New York, U.S.A, (2001). 89. Schaffer E., Kleer G., Mechanical behaviour of (Ti,Al)N coatings exposed to elevated temperatures and an oxidative environment, Surface and Coatings Technology, (2000) Schell N., Petersen J. H., Bottiger J., Mucklich A., Chevallier J., Andreasen K.P., Eichhhorn F., Thin Solid Films, 426 (2003) Sproul W.D., Rudnik P.J., Graham M.E., Rohde S.L., High rate reactive sputtering in an opposed cathode closed-field unbalanced magnetron sputtering system, Surface and Coating Technology, (1990) Staia, M.H., Alessandria, M.D., Quinto, D.T., Roudet, F., Marsal Astort, M., Hightemperature tribological characterization of commercial TiAlN coatings, Journal of Physics: Condensed Matter, 2006, 18: Stoney GG., Proc. R. Soc. (London) A, 82 (1909) Swain M.V., Mencik J., Mechanical property characterization of thin films using spherical tipped indenters, Thin Solid Films, 253 (1994) SWANSON Analysis System, INC., 2007, ANSYS user manuals, Vol.1, Theory, Vol.2 Procedures, Vol.3 Elements, Vol.4 Commands. 96. Tabor D., The hardness of metals, Clarendon press, Oxford, (1951). 97. Taylor Hobson PNEUMO, Manual of roughness measurement device: Surtronic 3+, P.O. Box 36 Leicester England, Teer D.B., A magnetron sputter ion plating system, Surface and Coating Technology, 36 (1988)

123 11. Βιβλιογραφία 99. The Impact Test Manual, Thessaloniki Toenshoff Η. K., Karpuschewski B., Mohlfeld A., Leyendecker T., Fuss T., Erkens T., Wenke T., Performance of oxygen-rich TiALON coatings in dry cutting applications, Surface and Coatings Technology, (1998) Toenshoff H. K., Mohlfeld A., Surface treatment of cutting tool substrates, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 38 (1998) Toenshoff H. K., Mohlfeld A., Gey C., Winkler J., Surface modification of cemented carbide cutting tools for improved adhesion of diamond coatings, Surface and Coatings Technology, (1998) Toenshoff H. K., Seegers H., X-Ray Diffraction characterization of pretreated cemented carbides for optimizing adhesion strength of sputtered hard coatings, Surface and Coatings Technology, (2001) Tomlinson W. J., Talbot K., On the relation between hardness and the flow curve of metals, Journal of Materials Science 3, Letters: , (1968) Verein Deutcher Ingenieure, 1991, VDI Ulrich S., Holleck H., Ye J., Leiste H., Loos R., Stuber M., Pesch P., Sattel S., Thin Solid Films, 437 (2003) Weinert K., Inasaki I., Sutherland J.W., Wakabayashi T., CIRP Annals- Manufacturing Technology, 53/2, (2004). 113

124 Α Ρ ΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑ ΛΟΝΙΚ ΗΣ ARISTOTELES UNIVERSITY OF THESSALONIKI (A.U.TH.) MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT LABORATORY FOR MACHINE TOOLS AND MANUFACTURING ENGINEERING ELEFTHERIA NIK. LILI Dipl. Mechanical Engineer (A.U.TH.) DETERMINATION OF PVD FILMS IMPACT BEHAVIOUR UNDER VARIOUS LOADS AND TEMPERATURES. DOCTORAL DISSERTATION EXTENDED SUMMARY SUBMITTED TO THE MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT OF THE ARISTOTELES UNIVERSITY OF THESSALONIKI (A.U.TH.) THESSALONIKI JANUARY 2010

125 Extended Summary in English Abstract Determination of PVD films impact behaviour under various loads and temperatures Doctoral thesis of Dipl. Mech. Engineer El. Lili High mechanical and thermal loadings, especially under extreme cutting conditions, i.e. increased cutting speeds and feed rates, are applied on coated tools /1 5/. The investigation of the acting wear phenomena under such conditions is of crucial importance to obtain an understanding of the coating failure mechanisms. An increase in cutting performance can be achieved through the adoption of optimum cutting conditions for the applied tool and coating materials. To determine these optimum conditions, extensive cutting investigations have to be conducted. The present thesis investigates the feasibility of correlating the coated tools cutting performances with their failure during the impact test at various temperatures /6 8/. As well as, the fatigue endurance of the coating and the adhesion of the coating with the aid of inclined impact test experiments as well as FEM based calculations. To that effect, first the modifications of the coatings strength properties with the temperature were detected through appropriate impact test investigations /2,9/. Scanning electron microscope (SEM) and energy-dispersive X-ray (EDX) analyses facilitated the monitoring of the initiation and subsequent development of the coating failure. Furthermore, the wear behaviour of coated tools was thoroughly investigated in milling, at increased cutting speeds and feed rates, while taking into account the developed thermal and mechanical loads during the material removal process. The distributions of these loads, in the cutting wedge region, were determined by finite-element method (FEM) calculations, supported by developed FEM algorithms based on the DEFORM and ANSYS software packages /10,11/. The aim of these investigations was to establish a correlation between the cutting and impact performance of coated tools at various cutting conditions and impact test temperatures, respectively. This correlation can then be used to characterize the cutting performance of the physical vapor deposition (PVD) films and to accelerate the selection of appropriate cutting conditions. To explain the coating and substrate wear behaviour, when applying cemented carbide (HM) tools with different grain sizes, two variations of HM inserts were coated with the same PVD AlTiN film. These inserts were examined by nanoindentations and impact tests concerning mechanical properties. The obtained results were explained by appropriate FEM-calculations. Usually the experiments were taken place at room temperature. The innovation in the particular thesis is the need to investigate the coatings behaviour in higher temperature for a different number of loads. So occurs the opportunity to correlate the results of cutting in various speeds thus different temperature while keeping the impact force at the same level leading to the investigation of the wear mechanism. 1. Impact test at elevating temperature Recent improvements of the impact test rendered feasible the conduct of investigations at elevated temperatures /2,9/. During the impact test, a ball penetrates periodically into the coating under a desired maximum load /6 8/. The used impact tester, a development of the Laboratory for Machine Tools and Manufacturing Engineering (EEDM) in conjunction with CemeCon AG, allows the application of impact forces up to 1500N at a frequency of 50 Hz, as well as the ability to determine coatings Smith and Woehler diagrams, utilizing the ITEC software package /8,12/ Nanoindentation Nanoindentation is a precise procedure, during which a gradually applied force versus the displacement is continuously registered. In recent publications /13,14/, the SSCUBONI (stress-strain curves based on nanoindentation) algorithm for the continuous simulation of the nanoindentation was introduced, thus enabling the extraction of materials stress-strain elastic-plastic laws. The nanoindentation device used in the described investigations is a Fischerscope H100 /15/. Scanning Electron Microscopy and Milling Investigations A Joel JSM-840 Scanning Electron Microscope, with Energy Dispersive X-ray analysis facilities, was used to observe the film failure, as well as the wear development of the coated cutting edges. Further, the cutting investigations were conducted in a numerically controlled 3D milling center (Johnford, FANUC OM control), by programming circular paths around cylindrical work pieces.

126 Extended Summary in English The perpendicular impact test was used to prepare specimens with plastically deformed substrates and elastically stressed coatings. The applied impact loads were 30, 60 and 90 dan and the number of impacts was set to 10 5, 4x10 5, 10 6 and 3x10 6. In all conducted tests, no coating fracture appeared. The mechanical unit of the used impact test is shown in figure 2a. This device was developed and manufactured by the Laboratory for Machine Tools and Manufacturing Engineering of the Aristoteles University of Thessaloniki in conjunction with CemeCon AG /16/. A ceramic ball of 5mm diameter penetrates repetitively into the coating under an adjustable maximum load. With the aid of a proportional integral and differential (PID) controller, the output voltage of a variable transformer, through a direct current (DC) motor is adjusted to attain constant impact force peaks, through out the entire test duration. Moreover measurements of current, forces, temperatures and further process parameters are conducted and monitored. Figure 1: The impact test at elevated temperatures 2. Determination of PVD films behavior through impact tests at room temperatures and nanoindentations In order to study the coating failure mechanisms and to get an insight of the coating s stress fields during periodically impact penetrations, Impact tests were conducted at the Laboratory for Machine Tools and Manufacturing Engineering (EEDM), facilitating the determination of coating mechanical properties, as well as coating s nanohardness during and after impact tests penetrations. Further more a series of impact tests were conducted in order to determine the effect of impact mechanical energy on the wear phenomena of the coating. The applied TiAlN films, with an Al/Ti ratio equal to 60/40, were deposited by a CEMECON C9000 coating machine. The film thickness was approximately 3 μm. The substrates were cemented carbides (hardmetal) inserts of K05-K20 quality, with a chemical composition of approximately 95% WC and 5% Co. Figure 2: a)impact test procedure b)nanoindentation results and strength properties of the used materials Nanoindentations were carried out by a FISCHERSCOPE H100 device. These data were evaluated by an algorithm based on a FEM continuous simulation of nanoindentation /17/, which enables the determination of pristine film and substrate elasto-plastic laws (see figure 2b). Moreover, nanoindentations were conducted in various areas in the formed crater after the impact test to investigate potential 116

127 Extended Summary in English coating hardness modifications and thus mechanical properties changes. It has to be pointed out that the substrate remains practically unaffected, when nanoindentations are conducted at a maximum load of 15mN. The ANSYS software package /11/ was used to develop the FEM model for determining the effective film mechanical properties. indentation depth in the imprint center region and the corresponding enlargement of indentation depth in the crater vicinity, compared to the untreated one, possess an increasing or decreasing tendency respectively, as the applied impact load gets higher. In the diagrams of figure 3, nanoindentation results at a maximum load of 15 mn on coated inserts in three individual areas before and after the impact test at an impact force of 60daN and 10 5 cycles are displayed. The indicated first and second area is located near the center and the imprint vicinity respectively, whereas the third one lies outside the formed crater. As it can be observed in the left diagram of figure 3, before the conduction of the impact test, the coating possesses similar nanohardness in all considered regions. Moreover after the impact penetration, a reduction of the maximum indentation depth occurs in the impact center area compared to the untreated one i.e. coating area 3 (see right diagram of figure 3). leading to a conclusion of increased area hardening after the impact procedure. On the other hand, the maximum indentation depth in the imprint vicinity is increased compared to the pristine one of the untreated film area 3. Figure 4: Maximum indentation depth in impact craterand vicinity at various impacts loads In order to provide an overview of these tendencies at various impact forces and number of cycles, numerous impact tests and nanoindentations were conducted and the related results are displayed in figure 5. Figure 5: Overview of the achieved maximum indentation depth in impact crater and vicinity at various impacts loads and number of impacts Figure 3: Nanoindentation results at various regions at the impact imprint Corresponding investigations were conducted at impact loads of 30 and 90 dan and the related results are illustrated in figure 4. The diminution of the According to these results, at higher impact loads the maximum indentation depths in the crater vicinity compared to the pristine ones increases, whereas the measured maximum indentation depths in the imprint center decreases. In both cases, these courses remain independent by the 117

128 Extended Summary in English number of impacts. By the mentioned FEM model, the developed von Mises stresses in the coating and in the substrate after an impact test for example at 60 dan can be determined in the loading and relaxation stage, as exhibited in figure 6. The developed von Mises stresses in the substrate are larger than its yield stress of 3.3 GPa, hence the entire shaded region is plastically deformed. Moreover, the coating is elastically deformed, since the developed stresses during loading are less than film s yield stress. Consequently, the remaining substrate plastic deformation leads to the coating residual stresses, shown in the right figure part. This fact renders the impact test a convenient tool to prepare an elastically deformed film due to the permanent substrate deformation. under various operational temperatures, captures the coating removal rate versus the impact force. The worst performance appears at 20 o C and the overall best at a temperature level between 100 o C and 200 o C. At that temperature level the coating withstands up to almost 120 dan to be totally removed (FR = 100%) after 10 6 impacts. Figure 7: List of the applied coatings The impact test performance up to a fracture ratio FR of approximately 3%, for various temperatures is presented in figure 9. The enhancement of the coating impact resistance is obvious through a temperature increase up to around 150 o C. The related critical impact load that corresponds to a FRvalue of 3%, increases from 50 dan at room temperature to a level of more than 100 dan. An additional temperature increase over ca. 150 o C results to a gradual reduction of the critical impact loads; this for example, can be seen clearly at temperatures of 300 o C, 400 o C and 600 o C, as the critical impact load decreases non-linearly to 50, 70 and 60 dan respectively. SEM micrographs of the impressions after 106 impacts, corresponding to test loads, just to avoid a coating failure (FR<3%) and to activate a film fatigue breakage of various fracture ratios, are illustrated at the bottom of figure 9. Figure 6: Von Mises stress distributions in the coated tool during and after ball penetration 3. Determination of PVD films behavior through impact tests at elevated temperatures In order to study the coated cemented carbide inserts behaviour under high operational temperatures during impact penetrations, a large amount of impact tests were conducted at various specimens as illustrated in figure 7. The coating wear propagation during the impact test was studied at operational temperatures up to 600 o C and it was monitored in terms of the coating fracture ratio (FR) versus the applied impact force F (see figure 8). Each plotted point corresponds to a test duration of 10 6 impacts. The profile of the coating FR, Figure 8: Coating fracture ratios after 106 impacts at various temperatures and loads. The film FR increase after the coating fracture initiation is less intense at impact temperatures in the region of 100 o C to 200 o C, compared to all other temperatures, for the same impact force growth of 10 dan, over the corresponding critical 118

129 Extended Summary in English load. Thus, the film can withstand repetitive impacts, at temperatures between 100oC and 200 o C, for a longer period up to its total removal (FR=100%). Figure 9: Coating impact resistance versus the operational temperature (see Figure 1 for additional data). For the investigation needs, conventional TINALOX and nanocomposite SN 2 films were deposited on K05- K20 cemented carbide inserts. The table in figure 10a describes the main specifications of the applied coatings, as well as of the substrate. The TINALOX film is based on the High Ionization Sputtering (HIS) technique with an Al/Ti content of 54/46%, while the SN 2 coating is based on an enhanced plasma boosted HIS deposition procedure with almost the same Al/Ti ratio (53/47%). Figure 10b illustrates the structure of the examined coatings in corresponding cross sections, allowing the visualization of the fine nano-structure of the SN 2 film. The mechanical properties of the applied coating and substrate materials were detected by means of nanoindentations and FEM-based algorithms, facilitating the calculation of related stressstrain curves /13,14/. Figure 10c depicts the nanoindentation loading-unloading curves of the coatings which at first sight look almost identical. However, the determined stress-strain curves of the coatings have significant differences mainly in the plastic area (see figure 10d), with the SN 2 film displaying a superior mechanical strength. The stress-strain curve of the substrate is also included in the same figure. Figure 10: (a) Main specification of the examined coatings and substrates, (b) microstructures, (c) nanoindentation loadingunloading curves, and (d) stress-strain curves of the applied films and substrates. The wear propagation of the SN 2 coating during the impact test was investigated at operational temperatures up to 400 o C, and it is monitored in terms of the coating fracture ratio (FR) versus the applied impact force F, as shown in figure 11. Each plotted point corresponds to a test duration of 10 6 impacts. The profile of the coating FR, under various operational temperatures, captures the coating removal rate versus the impact force. The worst performance appears at 300 o C and the overall best, at a temperature value of 150 o C. At this temperature level, the coating withstands up to almost 140 dan before being totally removed (FR¼100%) after

130 Extended Summary in English impacts. Related results for the TINALOX coating were presented in /2/. Figure 11: Coating fracture ratios after 10 6 impacts at various temperatures and loads. A plot of the aforementioned impact behavior of the monitored critical impact force versus the impact temperature up to 600 o C is provided in figure 12, for the SN 2 (solid line) and the TINALOX coatings (dashed line). resistance at around 150 o C, while above this temperature value a decreasing tendency of the critical impact load is revealed. A second maximum of the impact resistance was encountered at about 400 o C; however, this maximum is much lower than the one at 150 o C reaching a critical impact force only of 80 and 70 dan for the SN 2 and the TINALOX coatings, respectively. The film FR increase, after the coating fracture initiation, is less intense at impact temperatures in the region of 100 to 200 o C, compared to all other temperatures, for the same impact force growth of 10 dan, over the corresponding critical load. Thus, the film can withstand repetitive impacts, at temperatures between 100 and 150 o C, for a longer period up to its total removal (FR¼100%). The results documented a gradual increase of the coating fatigue strength, and thus of the mechanical strength properties for temperatures up to approximately 150 o C. Figure 13 illustrates the main elastoplastic specifications of the applied coatings as well as of the corresponding substrate data /3/. The mechanical properties of the applied coating and substrate materials were detected by nanoindentations and a FEM-based algorithm, facilitating the determination of related stress-strain curves /18/. The SN 2 film possesses superior yield S Y and rupture S M stresses compared to the TiN coating, whereas as representative mechanical strength properties of the TiN/TiAlN film were considered the ones of the SN 2 coating, due to the premature failure of the superficial TiN layer during the cutting investigations and the impact tests. Figure 13: Elastoplastic properties of the applied coatings and substrate. The fatigue strength of the applied coatings was further investigated by the impact test at operational temperatures up to 600 o C /19,20/. According to the results obtained, both coatings possess a non-linear impact resistance versus the impact temperature as shown in figure 14. Figure 12: Critical impact force versus the impact temperature for the examined coatings. Both films demonstrate an enhanced impact Figure 14: Coatings impact resistance versus the temperature. The reasons for the SN 2 coating s impact resistance behavior versus the temperature are explained in /21,22/. Relevant 120

131 Extended Summary in English results were obtained in tribological tests at room and elevated temperatures /23/. The contribution of thin superficial layers to improve the impact strength of a TiAlN coating has also been reported in /24/. The films fatigue endurance S D were calculated at various temperatures employing the ITEC + software /20/, considering the critical impact force. Figure 15: Coatings fatigue endurance stresses versus temperature. It was assumed that the ratio between the film yield stress SY and the fatigue endurance stress S D versus the temperature remain constant and equal to the corresponding ratios determined at room temperature for each coating case. The course of the fatigue endurance stress S D versus the temperature is plotted in the diagram of figure 15. It is obvious that the increase of the films critical impact force leads to a consequent increase of the films fatigue endurance and vice-versa. Determination of coating and substrate strength properties To determine the substrate and coating materials strength properties nanoindentations were conducted at a maximum indentation load of 15 mn. The obtained results are demonstrated at the top of figure 16. curves of the investigated substrate and coatings Each curves represent a mean value of 40 measurements. After approximately twenty measurements the moving average of the maximum penetration depth is stabilized and the effect of specimen roughness on nanoindentation results practically avoided /25/. The application of Si instead of Al reinforces the entire film structure, thus decreasing the maximum achieved penetration depth. The larger indentation depth appears in the case of the TiN coating. The stressstrain curves of the tested coatings were determined by the methods documented in the literature /25/ and are demonstrated at the bottom of figure 16. The TiSiN coating possesses comparably increased elasticity modulus, yield and rupture stress, while the TiN coating has the lowest mechanical properties. These coating data will be employed in the FEM-calculations of the milling process. Determination of coatings fatigue behaviour at ambient and elevated temperatures The impact performance of the applied TiAlN coating at various temperatures is presented in figure 17. The enhancement of the coating impact resistance by a temperature increase up to approximately 150 o C can be observed. The related minimum critical impact load inducing a film fracture after one million impacts (critical impact force F cr) increases from 95 DaN at room temperature up to more than 140 DaN at approximately 150 o C. A further increase over this temperature results to a gradual but not linear reduction of the critical impact force. This coating impact resistance at various temperatures is explained in the literature /26/. SEM micrographs of the impressions after 10 6 impacts, which correspond to certain impact forces, exhibit the coating fracture. Figure 16: Nanoindentation and stress-strain Figure 17: TiAlN film impact resistance versus temperature and related SEM micrographs. Related results up to temperature of 500 o C are illustrated at the top of figure 18. TiSiN coating withstands more effectively the applied loads during repetitive impacts and the critical forces to activate a film fatigue breakage after one million impacts are greater compared to the other films. Finally, the TiN coating possesses the worst impact resistance. The fatigue endurance stress S D of the applied films was calculated up to a temperature of ca. 400 o C by the ITEC + software /27/, according to methods documented in the literature /28/. The course of the stress S D versus the temperature for all film cases is monitored at the bottom of 121

132 Extended Summary in English figure 18. The fatigue endurance stress S D at a temperature which corresponds to the cutting temperature of mechanically overstressed cutting edge regions will be applied to explain the coating failure in these regions during milling impacts, whereas practically no film damage was registered in TiAlN and TiSiN coating cases at the same number of impacts. At a higher impact load of 35 DaN, the film fracture of TiAlN and TiSiN coated inserts is evident and amounts to ca. 78% and 51% respectively. Determination of CrAlN coatings fatigue behaviour at ambient and elevated temperatures CrAlN, CrAlZrN and CrAlYN coatings were deposited on K05- K20 cemented carbide inserts by d.c. magnetron sputtering. The CrAlN coating was deposited using four targets, two of chromium and two of aluminium. For the CrAlZrN and CrAlYN the targets used where two of chromium, one of aluminium and one of Zr or Y dopince respectively. Figure 18: Coatings impact resistance and fatigue endurance stresses versus the temperature. The physical, chemical and tribological properties of the examined CrAlN, CrAlZrN and CrAlYN films are inserted in the table in the middle part of figure 20. All the studied coatings had a nano-crystalline structure with a crystal size of 6.4 to 6.9 nm. CrAlYN film possesses the higher compressive residual stresses, the best adhesion to the substrate and the lowest friction coefficient against steel (0.47). The table in the bottom of the same figure displays the main elastoplastic specifications of the applied coatings, as well as the corresponding substrate data. The mechanical properties of the applied coatings and substrate materials were detected by nanoindentations and a FEMbased algorithm, facilitating the development of related stress strain curves /30/. The CrAlYN film possesses superior yield (SY) and rupture (SM) stresses compared to the rest coatings, while the relatively worst stress strain characteristics possesses the CrAlZrN film. ADHESION PROPERTIES OF THE INVESTIGATED COATINGS The oblique impact test was applied to facilitate the adhesion quantification of the investigated films /29/. Characteristic SEM micrographs of impact test imprints are illustrated in figure 19. The film failure extent was described by the failed area ratio FR, defined as the ratio of the region in which the substrates is revealed divided by the overall contact area /27/. Figure 19: SEM micrographs of inclined impact test impressions at various loads. The film failure was documented by SEM micrographs, visualizing the revelation of the substrate. In the case of TiN coated inserts, the fracture ratio FR at an impact force of 25 DaN amounts to approximately 79% after approximately Figure 20: Cutting parameters in milling Inconel 718 and Ti6Al4V, physical, chemical and further properties of the applied coatings and substrate. Additionally, the fatigue strength of the applied coatings was investigated by the inclined impact test at operational temperatures up to 600 C and at an inclination angle of 10. This temperature is measured on the bottom of the sample by 122

133 Extended Summary in English a thermocouple. impressive that there is an almost identical behavior of the coating cutting performance versus the cutting speed with the impact test resistance versus the temperature. Figure 22: Correlation between cutting performance and coating impact resistance. Figure 21: Coatings impact resistance versus the temperature and indicative impact imprints of the films failure. Preheated air flow (at the same temperature level) is supplied on the top of the sample to remove the film debris occurring during the test. The selected inclination angle corresponds to the actual cutting normal and tangential loads. Up to such temperature levels, the film microstructure remains stable. The critical force leading to the coating failure initiation after one million impacts is displayed in the diagram of figure 21 versus the test temperature. All films demonstrate an increasing impact resistance up to ca. 100 C, while above this temperature a descending tendency of the critical impact load was revealed. A second maximum of the impact resistance at approximately 400 C appears; however, this maximum is much lower than the first one, attaining a critical impact force only of approximately 30, 20 and 10 dan for the CrAlN, CrAlZrN and CrAlYN coatings respectively. In the bottom part of the same figure, indicative impact test imprints of films failures, validating the presented results are shown. As coating failure criterion, a 3% of substrate surface exposure is used. 4. Correlation of wear development of coated tools in milling with their wear from impact tests at elevated temperatures The potential to calculate the occurring temperature during material removal, allows the correlation between the coating impact resistance with the results of the milling experiments, at various cutting speeds. Such a relationship is further demonstrated in figure 22, where the critical force for 10 6 impacts at a coating fracture ratio less than 3% and the number of the achieved cuts up to a flank wear of 0.2 mm are presented versus the cutting speed and the impact test temperature. The recorded impact test temperatures according to the conducted FEM calculations correspond to the cutting speeds and tool wedge location displayed in the figure. It is quite Figure 23. Correlation between the cutting performance and the coating impact resistance for the TINALOX and SN2 films, for a feed rate of (a) 0.12 and (b) 0.4 mm. Wear Behavior of Coated Tools in Milling at Various Cutting Speeds and Feed Rates. The conduct of cutting experiments was necessary in order to investigate a potential correlation of the wear performance with the impact resistance of coated tools at various temperatures. The hardened steel 42CrMo4 V was used as the work piece material in these investigations. The possibility to calculate the developed temperature during the material removal, allows the correlation between the coating impact resistance with the tool wear results obtained in milling, at various cutting speeds and feed rates for both the examined coating cases. Such relationships are demonstrated in figure 23a and 23b, for feed rates corresponding to the undeformed chip thickness values of 0.12 and 0.4 mm, respectively. The critical force after 10 6 impacts at a coating fracture ratio less than 3%, as 123

134 Extended Summary in English well as the number of the achieved cuts up to a flank wear of 0.2 mm, are exhibited versus the cutting speed and the impact test temperature. The recorded impact test temperatures according to the conducted FEM calculations correspond to the cutting speeds and tool wedge location, as displayed in this figure. In the investigated coated cutting toolwork piece material cases, for a cutting speed up to approximately 300 m_ min_1, the cutting wedge wear at the transient region from the flank to the rake, determines the tool performance. Above 300m_ min_1, the wear on the rake location 3 is dominant for the achieved number of cuts. It is quite impressive that there is an almost identical behavior of the coating cutting performance versus the cutting speed with the impact test resistance versus the temperature in both film and feed rate cases. The possibility to calculate cutting temperatures on the tool surface and to correlate them to coatings mechanical properties, taking into account impact test results, as shown in figure 23, allows the prediction of the cutting speed regions associated with improved wear behaviours. performance, due to the lower loadings of the cutting wedge. The TiN/TiAlN film processes an increased film fatigue performance at low temperatures, which is favourable in up milling, due to the low cutting temperature at the entry of the tool in the workpiece material, where the maximum stresses appear. In this way, the critical impact forces and the cuts up to the first film failure and up to a flank wear of 0.2 mm are larger for the cases of the lower cutting speed, in both investigated milling kinematics (see figure 25). Correlation between the impact resistance and the milling performance, based on FEM calculations By inserting the maximum developed stresses in the corresponding film Woehler diagram of figure 24, the expected number of cuts for the development of the first coating failure can be predicted. Figure 24: Correlation of experimental with impact test results in milling with SN 2 coated tools. Furthermore, an overview of the number of cuts up to the first film damage, the film critical impact force and the achieved number of cuts up to a flank wear VB=0.2 mm, for various cutting speeds and milling kinematics, is exhibited at the right part of figure 24. In up milling, the increase of the cutting speed from 100 to 200 m/min leads to an increase of the coated tool life, due to the improvement of the film impact resistance and strength properties at the related cutting temperatures. Moreover, by applying down milling instead of up, retaining all the other cutting parameters constant, there is an additional increase of the coated tool cutting Figure 26: Correlation of experimental with impact test results in milling TiN/TiAlN coated tools. These differences are mainly due to the alterations in the coatings mechanical properties versus the cutting temperature, as it was monitored during the impact test at elevated temperatures (see figure 26(a)). Considering these results, the cutting performance at a certain cutting speed i.e. cutting temperature can be correlated to the impact resistance at the same temperature and relationships between critical impact force, fatigue endurance stress and flank wear can be schematically presented as demonstrated in Figures 26(b), 26(c) and 26(d) respectively. The critical force after 106 impacts, the corresponding fatigue endurance stress and the number of the achieved cuts up to a flank wear of 0.2 mm are exhibited, versus the impact test temperature and the cutting speed respectively. Both the impact test results at a temperature of 150 C, which correspond to the cutting results at a cutting speed of 26 m/min, show a definite correlation of the films impact and cutting performance. It is quite impressive that there is an almost identical behavior of the coating cuttings performance versus the cutting speed with the impact test resistance expressed be the critical impact force and the fatigue endurance stress versus the temperature. In the present cases, a maximum cutting temperature of 75 C and 300 C at cutting speeds of 15 and 35 m/min were respectively considered. The possibility to calculate cutting temperatures on the tool surface and to correspond them to coatings mechanical properties, taking into account impact test results, allows the prediction of the cutting speed regions associated with improved wear behaviors. Αt high feed rates, the coating s damage commencement for all the examined coatings takes place during the first cuts, whereas, on the other hand, at the low feed of 0.06 mm the films failure start-up appear at a significantly higher number of impacts, i.e. cuts. 124

135 Extended Summary in English Figure 27: Coatings Woehler diagrams. Figure 26: a). Coatings impact resistance at elevated temperatures. b). Critical impact force and c). fatigue endurance stress versus the impact temperature. d). Achieved number of cuts versus the cutting speed. The possibility to calculate the developed temperatures during material removal allows the correlation between the coatings impact resistance with the tool wear results obtained in milling, at various cutting speeds. The calculation of cutting temperatureswas conducted by DEFORM software package, whereas the thermal conductivity of the CrAlN coatingswas considered to be lower than the corresponding one of TiAlN films /31/.In the upper part of figure 28, an overview of the developed cutting temperatures within the coated tool in milling Inconel 718 is presented three different position during milling for the same chip length at a cutting speed of 26 m/min. The maximum temperature appears on the tool tip, where the maximum stresses develop as well /31/. This tendency can be observed in the chip formation sketches at various chip lengths presented in the upper figure part. It is clear that the maximum occurring temperature is increasing versus the chip length. The maximum temperature within the coating at a chip length of 4.6 mm is approximately 180 C. In the same way, the maximum cutting temperature versus the chip length and the cutting speed can be calculated. Considering these results, the cutting temperature can be directly correlated to the impact resistance at a certain operational temperature and relationships between critical impact force and flank wear can be schematically presented as demonstrated in the bottom part of the same figure. The critical force after 10 6 impacts at a coating fracture ratio less than 3% and the number of the achieved cuts up to a flank wear of 0.2 mm are exhibited, versus the impact test temperature and the cutting speed. Both the impact test results at a temperature of 180 C, which correspond to the cutting results at a cutting speed of 26 m/min, show a definite correlation of the films performance. It is quite impressive that there is an almost identical behavior of the cuttings performance versus the cutting speed with the impact test resistance versus the temperature. In the present cases, a maximum cutting temperature of 80 C and 300 C at cutting speeds of 15 and 35 m/min were respectively considered. The possibility to calculate cutting temperatures on the tool surface and to correspond them to coatings mechanical properties, taking intoaccount impact test results, allows the prediction of the cutting speed regions associated with improved wear behaviors. 125

136 Extended Summary in English one, as figure 29a demonstrates. The measured inserts roughness inserted in the table of figure 29b, verify these assumptions. Figure 29: (a) Schematic status of the ultra-fine-grained and the submicron-grained substrate surfaces before and after micro-blasting and (b) main characteristics of the substrates In order to quantify the mechanical properties of the applied substrate variations, nanoindentations were conducted and the occurring load-displacement diagrams (mean values after 40 measurements on each substrate) are presented in figure 30. Figure 28: Cutting temperatures versus the chip length, determined by DEFORM and comparison of the applied coated tools cutting performance versus the cutting speed with the film impact performance at elevated temperatures. 5. THE EFFECT OF THE CEMENTED CARBIDE SUBSTRATE GRAIN SIZE AND MICRO-BLASTING ON THE WEAR OF PVD COATED TOOLS Figure 29 shows schematically the status of both the ultra-fine-grained and the submicron-grained substrate surfaces before micro-blasting. Due to the larger tungsten carbide (WC) grain size ( μm) of the ultra-fine-grained substrate, compared to the grain size of the submicron-grained substrate ( μm), the grains of the micro-blasting powders of a mean diameter of ca. 10 μm can penetrate deeper into the Co-binder between the WC grains, in the case of an ultra-fine-grained substrate. In this way, through a more intense cobalt binder removal from the substrate surface, the individual WC grains are better revealed and the "mean free path" of cobalt between the grains is smaller in the case of an ultra-fine-grained substrate, than in the case of a submicron-grained Figure 30: Load displacement diagrams and stress-strain curves of the examined substrate materials At the same indentation load, i.e. 15 mn, the submicrongrained substrate seems to be softer than the ultra-finegrained one, since the Berkovich indenter penetrates into a higher depth. This is also verified by the hardness measurements, shown in figure 30b. Employing the SSCUBONI (Stress Strain CUrves Based On NanoIndentation) algorithm /32,33/, the corresponding stressstrain curves were attained. SSCUBONI simulates in a stepwise way the physical procedure, i.e. the indenter penetration into the examined material, having as input data the nanoindentation h-f diagram, the indenter tip geometry and the indenter material properties. Assuming a Young s modulus E (or tangent moduli of plasticity M) of the test-piece 126

137 Extended Summary in English it determines through repetitive try and error iterations the course of the stress-strain curve in a unique way, checking in every iteration step the convergence of the calculated to the measured h-f diagram. Although both substrates have the same Young s modulus, i.e. 580 GPa, the ultra-fine-grained substrate has an enhanced yield and rupture strength (4.9 and 7.8 GPa, respectively) compared to the submicrongrained one (4.5 and 6.4 GPa, respectively). Correspondingly, nanoindentations were performed on the AlTiN film, deposited on both the submicron- and the ultra-fine-grained substrates (see figure 31) to capture the differences that may occur on the film mechanical properties, due to the different substrate grain size. Applying the SSCUBONI algorithm, the stress-strain curves of AlTiN coating were obtained, resulting in enhanced film properties in the case of the ultra-fine-grained substrate. This effect may be associated with the lower cobalt content on the substrate surface, as explained in figure 29 and the occurring film growth mainly on the WC grains /34/. 20 and 30 dan for the AlTiN films deposited on both submicron- and the ultra-fine-grained substrates. The film deposited on the ultra-fine-grained substrate, as expected, has a higher fatigue and adhesion strength, since a coating failure starts after 30 dan, while the coating deposited on the submicron-grained substrate fails already at 15 dan. Figure 32: Impact performance of the AlTiN film on submicron- and ultra-fine-grained substrates 6. CONCLUSIONS Coatings on cutting tools experience high mechanical and thermal loadings, especially at high cutting speeds. The investigation of the acting phenomena under such cutting conditions is of crucial importance towards explaining the coating failure and wear propagation. Recent improvements of the impact test rendered feasible the conduct of investigations at elevated temperatures [1]. Figure 31: Load displacement diagrams and stressstrain curves of the AlTiN film on submicron- and ultra-fine-grained substrates. Through the achieved superficial topomorphy after micro-blasting in the case of the ultra-fine-grained substrate, a better film adhesion is expected too, in comparison to the submicron substrate. The film stressstrain curves deposited on both substrates are presented in the right diagram of figure 31. Both the coating on the ultra-fine-grained substrate and the coating on the submicron-grained one possess the same Young s modulus of 630 GPa, with the first one having a higher yield stress and much higher rupture strength. The fatigue as well as the adhesion strength of the applied AlTiN film, deposited on both the submicronand the ultra-fine-grained substrates, was investigated by the inclined impact test at an angle of 10 o. This test allows the characterization of coating fatigue and adhesion strength at the same time, due to the inclination angle of the specimen, which imposes shear stresses on the coating surface /35/. The SEM micrographs of figure 32 demonstrate the achieved imprints after one million impacts, at impact loads of 15, Many PVD films monolayers and a multilayer, with different micro and macro structures, were applied. The coatings strength properties were detected by nanoindentations and by impact tests at various temperatures. These results were considered in FEM calculations of the material removal process to determine the mechanical and thermal loadings of the cutting wedge. Finally, a correlation of the milling performance at various cutting speeds with the coating impact behavior at high temperatures was established.the presented results render the impact test at elevated temperatures, as a very efficient method for detecting coating resistance for the synchronous contribution of fatigue and thermal phenomena to the film fracture and wear. A need to examine what precisely happens at the test of repeated impact procedure was created due to various factors superseding during the procedure. Specifically the offer of mechanical energy and the restricted area of contact are responsible for the coating failure. The results were very exciting as they showed differences in the hardness of the imprint. The center proved to be harder than the periphery of the imprint. The applied impact loads were 30, 60 and 90 dan and the number of impacts was set to 10 5 and The results were the same in all cases. Additionally it was found that increasing the load force the differentiation of prices of depth penetration which is translated as hardness, grows higher for the same always number of impacts. Βy a FEM supported simulation of the nanoindention, the coating s load-displacement behaviour in various areas of the impact imprint were predicted and the effective coating mechanical properties as well. 127