ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΕΞΕΛΙΞΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΩΝ ΓΙΑ ΤΟ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΚΟΠΩΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΝΟΧΗΣ ΛΕΠΤΩΝ ΣΚΛΗΡΩΝ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ ΜΙΧΑΗΛ Γ. ΜΠΑΤΣΙΩΛΑΣ ΔΙΠΛ. ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ (Α.Π.Θ) ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΙΟΥΝΙΟΣ 2012

2

3 ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣ ΗΜΙΟ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΡΓΑΛΕΙΟΜΗΧΑΝΩΝ ΔΙΑΜΟΡΦΩΤΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΜΙΧΑΗΛ Γ. ΜΠΑΤΣΙΩΛΑΣ ΔΙΠΛ. ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΟΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΤΟΥ Α.Π.Θ. από τη Θεσσαλονίκη ΕΞΕΛΙΞΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΩΝ ΓΙΑ ΤΟ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΚΟΠΩΣΗΣ ΚΑΙ ΣΥΝΟΧΗΣ ΛΕΠΤΩΝ ΣΚΛΗΡΩΝ ΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ Διδακτορική διατριβή που υποβλήθηκε στο Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, για την απόκτηση του Διδακτορικού Διπλώματος. (Αρ. ΔΔ 30/ΕΕΔΜ) Μέλη της τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής: 1. Κ.-Δ. Μπουζάκης, Καθηγητής, επιβλέπων της διατριβής 2. Σ. Μήτση, Καθηγήτρια 3. Κ. Ευσταθίου, Αναπλ. Καθηγητής Λοιπά μέλη της Επταμελούς Εξεταστικής Επιτροπής: 4. Γκ. Μανσούρ, Αναπλ. Καθηγητής 5. Ι. Τσιάφης, Αναπλ. Καθηγητής 6. Ν. Μιχαηλίδης, Επικ. Καθηγητής και 7. Γ. Σκορδάρης, Επικ. Καθηγητής Ημερομηνία προφορικής εξέτασης: 06/07/2012

4 Μιχαήλ Γεωργίου Μπατσιώλας Α.Π.Θ. Εξέλιξη πειραματικών διατάξεων και μεθοδολογιών για το χαρακτηρισμό ιδιοτήτων κόπωσης και συνοχής λεπτών σκληρών επικαλύψεων σε διάφορες θερμοκρασίες. «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) iv

5 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διατριβή έρχεται ως αποτέλεσμα της ερευνητικής δραστηριότητας μου ως Επιστημονικός Συνεργάτης στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Με την ολοκλήρωση αυτού του ιδιαιτέρως σημαντικού κεφαλαίου της ζωής μου, θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες μου προς όλους όσους συνέβαλαν στην επιτυχή ολοκλήρωσή της. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά το Διευθυντή του Εργαστηρίου Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας, Καθηγητή Κωνσταντίνο-Διονύσιο Μπουζάκη για τη συνεχή καθοδήγησή του καθ όλη τη διάρκεια της εκπόνησης της διδακτορικής διατριβής μου, την παροχή υλικοτεχνικής υποδομής και την εύστοχη και αποτελεσματική επίβλεψη της ερευνητικής μου δραστηριότητας γενικότερα μέσω της άρτιας γνώσης του σε επιστημονικά θέματα. Επίσης, ευχαριστώ την καθηγήτρια Σ. Μήτση και τον Αναπλ. Καθηγητή Κ. Ευσταθίου που ως μέλη της τριμελούς επιτροπής συνεπικούρησαν στην εργασία αυτή. Για τη σημαντική υποστήριξη που προσέφεραν απλόχερα κατά τη διάρκεια της άριστης συνεργασίας μας, οφείλω ευχαριστίες σε όλους τους αγαπητούς συναδέλφους και φοιτητές του εργαστηρίου κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, τόσο σε επιστημονικό όσο και πλέον φιλικό επίπεδο. Ιδιαίτερα θα ήθελα να ευχαριστήσω τους Δρ. Δ. Σαγρή, Επ. Καθηγητή Δρ. Γ. Σκορδάρη και κ. Σ. Κομπογιάννη, οι οποίοι με γνώση, καλή διάθεση και προθυμία ήταν πάντα στο πλευρό μου με πολύτιμες συμβουλές και παρατηρήσεις κατά την εξέλιξη της ερευνητικής μου προσπάθειας, όπως και την Επ. Καθηγήτρια Δρ. Ε. Παυλίδου του τμήματος Φυσικής του Α.Π.Θ, η οποία, παρόλο το εξαντλητικό πρόγραμμα που ακολουθούσε, υποστήριξε τις ερευνητικές δραστηριότητες μου τακτικά και ανελλιπώς με μετρήσεις μέσω ηλεκτρονικού μικροσκοπίου. Επιπλέον, νιώθω την ανάγκη να εκφράσω τις θερμές μου ευχαριστίες προς τον κ. Γ. Γιαννόπουλο, για την αγαστή συνεργασία με υπομονή και διδακτική διάθεση και τη σημαντική συμβολή του σε θέματα ηλεκτρονικής επιστήμης, σχετικούς κανονισμούς ασφαλείας και πληθώρα άλλων πεδίων καθ όλη τη διάρκεια της εκπόνησης της διατριβής μου. Επίσης, ευχαριστώ για την καθοριστική τους βοήθεια όλους τους φοιτητές τους οποίους επέβλεψα κατά την εκπόνηση της διπλωματικής τους εργασίας. Επιπλέον, θα ήθελα να ευχαριστήσω φυσικά την οικογένεια μου και όλα τα άτομα του κοντινού μου περιβάλλοντος για την αμέριστη συμπαράστασή και υπομονή που έδειξαν απέναντι μου όλο αυτό το διάστημα, παρέχοντας ταυτόχρονα ένα σταθερό, γόνιμο περιβάλλον, απαραίτητο για την επιτυχή ολοκλήρωση αυτής της προσπάθειας. Θεσσαλονίκη, Ιούνιος 2012 Μπατσιώλας Γ. Μιχαήλ v

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πίνακας συμβόλων και συντομογραφιών... viii 1. Εισαγωγή Θεωρητικό υπόβαθρο Βασικοί μηχανισμοί τριβής και φθοράς Κοπτικά εργαλεία - σκληρομέταλλα Πυροσυσσωμάτωση Τυποποίηση σκληρομετάλλων Κύριες μέθοδοι επιφανειακής βελτίωσης υλικών Τεχνικές εναπόθεσης επί εργαλείων αφαίρεσης υλικού Χαρακτηρισμός ιδιοτήτων επικαλύψεων Δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης Έδρανα κυλίσεως και ολισθήσεως Σκοπός της εργασίας Πειραματικές διατάξεις Συσκευή νανοσκληρομέτρησης Συσκευή εισβολής με αδαμάντινο κωνικό εισβολέα Οπτική και Σαρωτική Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Στερεοσκοπικό μικροσκόπιο Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο Συσκευή τρισδιάστατης σάρωσης επιφανειών Συσκευή κρατεροποίησης για τον προσδιορισμό του πάχους επικαλύψεων Συσκευή τραχυμέτρησης Διατάξεις προετοιμασίας δοκιμίων: πριόνι ακριβείας, λειαντική μηχανή Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων Εξέλιξη δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης υψηλών θερμοκρασιών Ενσωμάτωση - εξέλιξη διάταξης θέρμανσης Επικοινωνία μονάδων τροφοδοσίας και ελέγχου Εξέλιξη λογισμικού ελέγχου Παρακολούθηση ομαλής λειτουργίας και προστασία υπομονάδας υψηλών θερμοκρασιών Ανάπτυξη διάταξης τοποθέτησης ακριβείας Προσέγγιση τοποθέτησης μέσω αισθητήρα επαφής Διαδικασία τοποθέτησης μέσω οπτικής παρατήρησης Aνάπτυξη ιδιοσυσκευής συγκράτησης κυλινδρικών τεμαχίων Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων Διάταξη συμπίεσης επικαλύψεων σε υψηλές θερμοκρασίες Περιγραφή πειραματικής διαδικασίας vi

7 7. Μελέτη επίδρασης θερμοκρασίας επί της συμπεριφοράς σε κόπωση PVD DLC επικαλύψεων μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης Προσδιορισμός πάχους των στρωμάτων επικάλυψης Προσδιορισμός μηχανικών ιδιοτήτων φιλμ επικάλυψης και υποστρώματος Απόδοση DLC επικαλύψεων στην κρουστική δοκιμασία Επίδραση θερμοκρασίας δοκιμασίας κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης και προσδιορισμός αντοχής σε κόπωση της DLC επικάλυψης με στιβάδα συνάφειας τιτανίου Επίδραση θερμοκρασίας δοκιμασίας κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης και προσδιορισμός αντοχής σε κόπωση της DLC επικάλυψης με στιβάδα συνάφειας χρωμίου Διερεύνηση δυναμικής αντοχής κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου μέσω κρουστικής δοκιμασίας επί της κοπτικής ακμής τους Εισαγωγή Επίδραση μεγέθους κόκκων σκληρομετάλλου Μηχανικές ιδιότητες υποστρώματος D και 3-D μοντέλo προσομοίωσης διείσδυσης σφαιρικού εισβολέα κρουστικής δοκιμής Αποτελέσματα πειραματικής και 3D-αναλυτικής διαδικασίας Πειραματική διερεύνηση επίδραση ανόπτησης στη δυναμική αντοχή των υποστρωμάτων Χαρακτηρισμός της δυναμικής και συναφειακής αντοχής PVD επικαλύψεων επί κυματοειδών υδροδυναμικών εδράνων Γεωμετρικά και μηχανικά χαρακτηριστικά των δοκιμίων υπό εξέταση Πειραματικές δοκιμές κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης υπολογισμός διαρκούς αντοχής Πειραματικές δοκιμές πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης ποσοτικοποίηση συνάφειας επικάλυψης - υποστρώματος Εφαρμογή δοκιμαστηρίου θέρμανσης συμπίεσης Φαινόμενα οξείδωσης και διάχυσης στη διεπιφάνεια διαφόρων PVD επικαλύψεων και σκληρομετάλλου Εισαγωγή Πειραματική διαδικασία Συγκριτικές αναλύσεις EDX Μηχανικές ιδιότητες μέσω νανοδιεισδύσεων Σύνοψη και συμπεράσματα Βιβλιογραφία Extended summary in English vii

8 Πίνακας συμβόλων και συντομογραφιών Σύμβολο Περιγραφή συμβόλου Μονάδα PVD : Φυσική Εναπόθεση Ατμών - CVD : Χημική Εναπόθεση Ατμών - FEM : Μέθοδος πεπερασμένων στοιχείων - DLC : Επικαλύψεις άνθρακα τύπου διαμαντιού - HV : Σκληρότητα κατά Vickers - HRC : Σκληρότητα Rockwell C - FCC : Kυβική εδροκεντρωμένη δομή - HCP : Εξαγωνική δομή - p : Πίεση GPa SEM : Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης - EDX : Μικροφασματική Ανάλυση με ακτίνες Χ - t : Πάχος επικάλυψης μm θ : Γωνία κλίσης πλάγιας κρούσης u : Μετατόπιση mm E : Μέτρο ελαστικότητας GPa ν : Λόγος Poisson - F max : Μέγιστη δύναμη κρούσης dan x : Απόσταση από κέντρου κύκλου επαφής mm R σφαίρας : Ακτίνα εισβολέα mm S y : Όριο διαρροής GPa S max : Τάση θραύσης GPa S eqv : Ισοδύναμη τάση κατά von Mises GPa σ i=1,2,3 : Πρώτη / δεύτερη / τρίτη κύρια τάση GPa R a : Μέσο ύψος τραχύτητας μm R t : Μέγιστο ύψος τραχύτητας μm R q : Tετραγωνικό μέσο ύψος τραχύτητας μm R m : Τάση θραύσης σε εφελκυσμό GPa Μ : Συντελεστής τριβής - Z : Διεύθυνση κάθετη στο επίπεδο επαφής FR FR : Λόγος αστοχίας % CA : Επιφάνεια κρατήρα mm 2 FA : Επιφάνεια αστοχίας κρατήρα mm 2 CIA : Συνάφεια Επικάλυψης σε Κρούση % c st : Εφαπτομενική στιβαρότητα επαφής Ν/mm 3 c sn : Κάθετη στιβαρότητα επαφής Ν/mm 3 Α : Γωνία ελευθερίας viii

9 1. Εισαγωγή 1. Εισαγωγή Η βιομηχανική δραστηριότητα χαρακτηρίζεται απ την απαρχή της από μια συνεχή προσπάθεια για μεγαλύτερη, γρηγορότερη, ποιοτικότερη και κυρίως φθηνότερη παραγωγή προϊόντων. Στα πλαίσια αυτής της κατεύθυνσης, δημιουργήθηκαν ειδικές μεθοδολογίες, εξειδικευμένα εργαλεία μορφοποίησης και ισχυρές και πιο σύνθετες μηχανές κατεργασιών. Αντίστοιχα, οι σύγχρονες απαιτήσεις για την κατασκευή μηχανολογικών εξαρτημάτων με βελτιωμένη απόδοση υπό ακραίες συνθήκες λειτουργίας επιτάσσουν τη συνεχή ανάπτυξη καινοτόμων μεθόδων και τεχνολογιών της επιστήμης των υλικών. Μία σημαντική προσέγγιση σε αυτήν την κατεύθυνση αποτελεί η εστιασμένη τροποποίηση των επιφανειακών ιδιοτήτων κρίσιμων μηχανολογικών στοιχείων, με την εφαρμογή διαφόρων επιφανειακών επικαλύψεων, οι οποίες βελτιώνουν τις συνθήκες επαφής κατά τη λειτουργία προσφέροντας υψηλή σκληρότητα, αυξημένη αντοχή σε φθορά, μειωμένη τριβή, χαμηλή χημική αντιδραστικότητα, χαμηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα, βιο-συμβατότητα κτλ.. Τέτοιου είδους λεπτές επιφανειακές επικαλύψεις εφαρμόζονται με επιτυχία σε πάρα πολλά στοιχεία μηχανών και εξαρτήματα όπως είναι τα κοπτικά εργαλεία, οι οδοντωτοί τροχοί, έδρανα κυλίσεως ή ολισθήσεως, κ.α. [1,2,3,4]. Ο τομέας των κοπτικών εργαλείων έχει ωφεληθεί ιδιαιτέρως από την ανάπτυξη της σχετικής τεχνολογίας, καθώς τα επικαλυμμένα κοπτικά εργαλεία παρουσιάζουν εξαιρετική αντοχή στην τριβή και τη φθορά και βελτιωμένη απόδοση απέναντι σε όλο και πιο απαιτητικές συνθήκες κατεργασίας και δυσκολοκατεργάσιμα υλικά [5]. Η χρήση τους στην παραγωγική διαδικασία σήμερα θεωρείται πλέον καθιερωμένη. Η βιομηχανική και τεχνολογική ανάπτυξη των επικαλύψεων έχει επικεντρωθεί τόσο στην εξέλιξη και βελτιστοποίηση διαδικασιών εναπόθεσης τους όσο και στη χρήση νέων συνδυασμών και φάσεων υλικών με τελικό σκοπό τη διεύρυνση του πεδίου εφαρμογής τους και την περαιτέρω εξειδίκευση τους για συγκεκριμένες εφαρμογές. Ωστόσο, αντίστοιχης σημασίας είναι η προσεκτική επιλογή του κατάλληλου υλικού, της μεθόδου επιφανειακής τροποποίησης του, του προσδιορισμού της επίδραση που του επιφέρει η ίδια η διαδικασία εναπόθεσης και η γεωμετρία του, ώστε να προκύψει το βέλτιστο αποτέλεσμα ως προς τη συνολική απόδοση του εκάστοτε επικαλυμμένου στοιχείου. Λαμβάνοντας αυτά υπόψη, κρίνεται απαραίτητη η νόηση και πραγμάτευση της επικάλυψης και υποστρώματος ως ενιαίο σύστημα. Υπό αυτό το πρίσμα, η αυξανόμενη εξειδίκευση των συστημάτων επικάλυψης και υλικού υποστρώματος και η σύνθετη φύση των συνθηκών λειτουργίας τους δημιουργεί την ανάγκη ανάπτυξης και εξέλιξης απλών, γρήγορων και αξιόπιστων μεθόδων δοκιμασίας, οι οποίες προσεγγίζουν με αναπαραγώγιμο τρόπο τις πραγματικές συνθήκες φόρτισης και λειτουργίας του πεδίου εφαρμογής τους

10 1. Εισαγωγή Η σαφής γνώση των κρίσιμων μηχανικών ιδιοτήτων τους είναι ζωτική για τον ορθό προσδιορισμό του κατάλληλου επικαλυμμένου στοιχείου για την κάθε εφαρμογή. Προκειμένου να διαπιστωθούν οι ιδιότητες αυτές χρησιμοποιούνται διάφορες πειραματικές διατάξεις όπως, ενδεικτικά, η δοκιμασία νανοσκληρόμετρησης, η δοκιμασία χάραξης, η δοκιμασία κάμψης, κ.α. Μεταξύ αυτών συγκαταλέγεται η δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης, η οποία προσεγγίστηκε αρχικά από τον Knotek [6] και εξελίχθηκε εν συνεχεία στα πλαίσια συνεργασίας του Εργαστηρίου Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας (ΕΕΔΜ) του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης (ΑΠΘ) και της γερμανικής εταιρίας CEMECON AG. Στο παρελθόν, το δοκιμαστήριο κρούσης έχει αξιοποιηθεί με επιτυχία για τον προσδιορισμό της δυναμικής αντοχής επικαλύψεων, της συνάφειας επικάλυψης-υποστρώματος, και τη διερεύνηση φαινόμενων ερπυσμού επί επικαλυμμένων κοπτικών ένθετων πλακιδίων [7,8,9,10,11,12]. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας θα διεξαχθεί η εξέλιξη συμπληρωματικών πειραματικών διατάξεων του δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου και αντίστοιχων μεθοδολογιών που εξετάζουν σε συγκεκριμένες συνθήκες τις μηχανικές ιδιότητες κόπωσης συστημάτων επικάλυψης-υποστρώματος, τα οποία υπόκεινται σε δυναμικά φορτία κατά τη λειτουργία τους, ενώ σε συνδυασμό με κατάλληλα υπολογιστικά μοντέλα παρέχονται ποσοτικές πληροφορίες σχετικά με τις αντίστοιχες τάσεις αστοχίας. Επιπλέον, θα παρουσιαστεί η σχεδιομελέτη και κατασκευή πειραματικής διάταξης που εξετάζει την αλληλεπίδραση των στρωμάτων επικάλυψης και υποστρώματος σε υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις, προσεγγίζοντας τις ακραίες συνθήκες λειτουργίας κοπτικών δοκιμίων ή επικαλυμμένων στοιχείων καλουπιών χύτευσης, καθώς και διάφορες εφαρμογές για κάθε περίπτωση. Ως απώτερος στόχος επιδιώκεται οι διατάξεις και οι πειραματικές - αναλυτικές μέθοδοι που θα εξελιχθούν και θα εφαρμοστούν στην παρούσα εργασία, πέραν της συνεισφοράς των αποτελεσμάτων που θα προκύψουν μέσω της αξιολόγησης των συγκεκριμένων συστημάτων επικάλυψης-υποστρώματος, να αποτελέσουν ευρύτερα και ικανά εργαλεία ελέγχου και αξιολόγησης επί διαφορετικών συστημάτων επικάλυψης υποστρώματος, προκειμένου τα συμπεράσματα που θα εξαχθούν να επιτρέψουν τόσο την περαιτέρω εξέλιξη και βελτιστοποίησή τους όσο και τον ποιοτικό έλεγχο της διαδικασίας παραγωγής τους

11 2. Θεωρητικό υπόβαθρο 2. Θεωρητικό υπόβαθρο 2.1. Βασικοί μηχανισμοί τριβής και φθοράς Στη βιβλιογραφία εντοπίζεται ένα πλήθος τρόπων ταξινόμησης των μηχανισμών τριβής και φθοράς [13,14,15,16]. Συνήθως αναφέρονται δύο βασικοί μηχανισμοί τριβής, συναφειακή και μηχανική. Το εύρος των συστημάτων ταξινόμησης φθοράς είναι ακόμα πιο εκτενές. Στο παρελθόν η φθορά κατηγοριοποιούνταν σύμφωνα με την εμφάνιση της επιφάνειας έπειτα από το γεγονός της επαφής. Ορισμένες από αυτές τις κατηγορίες συνδέονται ως κάποιο βαθμό με συγκεκριμένες εφαρμογές, όπως τη μετάδοση κίνησης μέσω οδοντωτών τροχών. Από την άλλη πλευρά, η πρόσφατη τάση ως προς την κατηγοριοποίηση της φθοράς βασίζεται σε πιο θεμελιώδεις μηχανισμούς αφαίρεσης υλικού, λόγω της αυξημένης γνώσης των συνθηκών φθοράς. Οι πιο διαδεδομένες κατηγορίες είναι: συναφειακή φθορά, φθορά απόξεσης, φθορά λόγω κόπωσης και τριβοχημική φθορά [17,16]. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία [18], γίνεται η εκτίμηση πως είναι δυνατή η περαιτέρω απλοποίηση της κατηγοριοποίησης των βασικών μηχανισμών τριβής και φθοράς. Με αυτόν το σκοπό, έχουν προταθεί οι παρακάτω ορισμοί: Τριβή είναι η αντίσταση στην κίνηση κατά μια συγκεκριμένη στιγμή της διαδικασίας της σχετικής κίνησης μεταξύ δύο επιφανειών σε επαφή. Αυτό οφείλεται σε: 1. Συνάφεια, δηλαδή τη θραύση συναφειακών δεσμών μεταξύ των δύο επιφανειών, 2. Μηχανική τριβή (plowing), δηλαδή η αντίσταση που οφείλεται στην ελαστική και ενδεχομένως πλαστική παραμόρφωση κατά την κίνηση μιας επιφάνειας κινείται κατά μήκος μιας πιο μαλακής ή ποιο ελαστικής επιφάνειας και 3. Υστέρηση, ως η αντίσταση που οφείλεται στη συνεχή ελαστική παραμόρφωση εντός της μιας από τις επιφάνειες σε κίνηση. Κατά τους βασικούς μηχανισμούς τριβής δεν προβλέπεται η παραμικρή απομάκρυνση υλικού, καθώς θραύσματα στη ζώνη επαφής θα περιέπλεκαν τους μηχανισμούς επαφής υπερβολικά, αλλά οι βασικοί μηχανισμοί της αντίστασης κίνησης θα παρέμεναν όπως αυτοί που αναφέρθηκαν παραπάνω. Φθορά αντίστοιχα είναι η διαδικασία αποχωρισμού υλικού από μια επιφάνεια. Διαφέρει από την τριβή υπό την έννοια πως δεν λαμβάνει χώρα σε μια συγκεκριμένη στιγμή αλλά κατά τη διάρκεια μιας χρονικής περιόδου όπου οι επιφάνειες υπό επαφή βρίσκονται σε σχετική κίνηση. Όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.1, o αποχωρισμός του υλικού μπορεί να οφείλεται σε: - 3 -

12 2. Θεωρητικό υπόβαθρο 1. Συνάφεια και θραύση, όπου η δύναμη αποχωρισμού ή συνάφειας προκαλεί τόσο υψηλές διατμητικές τάσεις στην επιφάνεια που ξεπερνούν την αντοχή του υλικού δημιουργώντας ρωγμή, η οποία επεκτείνεται ως την απομάκρυνση υλικού. 2. Απόξεση (abrasion) και θραύση, κατά την οποία μία σκληρή επιφάνεια κινείται κατά μήκος μιας μαλακότερης και την παραμορφώνει σε τέτοιο βαθμό που αναπτύσσονται διατμητικές κυρίως τάσεις που ξεπερνούν την αντοχή του υλικού και το σχηματισμό ρωγμής, η οποία αναπτύσσεται ως τη θραύση. 3. Κόπωση και θραύση, δηλαδή συμπιεστική επιφανειακή φόρτιση που την παραμορφώνει σε τέτοιο βαθμό όπου αναπτύσσονται τόσο υψηλές διατμητικές τάσεις που ξεπερνούν την αντοχή του υλικού και προκαλούν την έναρξη ρωγμής. Η διαδικασία ανάπτυξης της ρωγμής ως τη θραύση σε αυτήν την περίπτωση δύναται να ολοκληρωθεί κατά τη διάρκεια ορισμένων κύκλων φόρτισης. Σχήμα 2.1: Βασικοί μηχανισμοί επιφανειακής φθοράς κατά τη μηχανική επαφή και θραύση απομάκρυνση υλικού [18]. Εξ ορισμού η φθορά περιλαμβάνει πάντα απομάκρυνση υλικού ενώ κανονικά η θραύση είναι ένας όρος που περιγράφει τη μαζική αστοχία ψαθυρών υλικών. Εδώ ο όρος λαμβάνεται με πιο ευρεία έννοια, ως η διαδικασία που αρχίζει από την έλλειψη συνοχής εντός της δομής του υλικού, συνεχίζει με ως ανάπτυξη ρωγμής και έχει ως αποτέλεσμα την ελευθέρωση θραυσμάτων από την επιφάνεια. Η ανωτέρω κατηγοριοποίηση των θεμελιωδών μηχανισμών φθοράς συγκεντρώνεται στον τρόπο με τον οποίο λαμβάνει χώρα η απομάκρυνση του υλικού. Για αυτόν το λόγο δεν συμπεριελήφθη η τριβοχημική φθορά. Οι χημικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα σε μια επιφάνεια φέρουν ασφαλώς τη σημασία τους, όμως δεν είναι μηχανισμοί που προκαλούν απομάκρυνση υλικού. Είναι αντίθετα χημικές αντιδράσεις που προκαλούν την επιφανειακή τροποποίηση του υλικού, τη βελτίωση είτε την υποβάθμιση της, και αλλαγές στις π.χ. ελαστικές ή πλαστικές ιδιότητες της ή την αντίσταση της σε θραύση. Οι αλλοιωμένες επιφανειακές ιδιότητες θα ενισχύσουν ή θα μειώσουν την αντοχή του υλικού και την αντίστασή του ως προς τη δημιουργία και επέκταση ρωγμών και ως προς τελικά την - 4 -

13 2. Θεωρητικό υπόβαθρο απομάκρυνση υλικού. Ωστόσο, οι βασικοί μηχανισμοί κατά την αποκαλούμενη τριβοχημική φθορά παραμένουν οι τρεις που αναφέρθηκαν παραπάνω. Η φθορά λόγω κόπωσης όπως νοείται συνήθως μπορεί να χωριστεί σε δύο στάδια. Κατά το πρώτο, λαμβάνει χώρα αποκλειστικά τροποποίηση των ιδιοτήτων του επιφανειακού στρώματος δίχως απομάκρυνση υλικού. Κατά τη διάρκεια συνεχούς φόρτισης της επιφάνειας, οι ιδιότητες του υλικού πλησίον της επιφάνειας μεταβάλλονται με αργό ρυθμό. Το δεύτερο στάδιο, το οποίο είναι το στάδιο της καθεαυτού φθοράς, ξεκινάει όταν το αλλοιωμένο υλικό δεν μπορεί να υποστεί άλλο τη φόρτιση και μία ρωγμή εμφανίζεται, μεγαλώνει και υλικό ελευθερώνεται με τη δημιουργία θραυσμάτων. Μία ενδιαφέρουσα παρατήρηση εναπόκειται στο γεγονός πως ο μηχανισμός τριβής μέσω υστέρησης βασίζεται σε ελαστική παραμόρφωση υλικού και έτσι είναι από κάποια άποψη παρόμοιος με το μηχανισμό μηχανικής τριβής, αλλά σε διαφορετική γεωμετρία. Το ίδιο ισχύει για το μηχανισμό κόπωσης και θραύσης, καθώς βασίζεται στην παραμόρφωση του υλικού μέσω συμπίεσης και αποκοπής και είναι παρεμφερής με το μηχανισμό μηχανικής φθοράς. Το επόμενο βήμα λοιπόν θα ήταν να λάβουμε υπόψη πλέον μόνο δύο θεμελιώδεις μηχανισμούς τριβής και φθοράς. Σε κάθε περίπτωση, οι διαδικασίες τροποποίησης της επιφάνειας λόγω χημικών αντιδράσεων ή κόπωσης θεωρούνται ως ξεχωριστές διαδικασίες που δεν προξενούν φθορά αυτές καθ αυτές, παρά μόνο τη διευκολύνουν [18] Κοπτικά εργαλεία - σκληρομέταλλα Για την κατασκευή κοπτικών εργαλείων χρησιμοποιούνται υλικά που χαρακτηρίζονται από τις κατάλληλες ιδιότητες, όπως σκληρότητα, υψηλές μηχανικές αντοχές, κ.α. και χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες, τα σιδηρούχα, όπως οι ψυχροί εργαλειοχάλυβες και οι ταχυχάλυβες (Ηigh Speed Steels - HSS), και τα μη σιδηρούχα. Εντός της δεύτερης ομάδας συγκαταλέγονται τα σκληρομέταλλα, τα κεραμικά, τα μικτά κεραμικά και σκληρομέταλλα με την ονομασία CERMETS, τα κυβικά βοριονιτρίδια (CBN) και τα αδαμάντινα. Συγκεκριμένα, τα σκληρομετάλλα αποτελούν τον κορμό των υλικών των εργαλείων σε κατεργασίες μορφοποίησης με αφαίρεση υλικού. Οι λόγοι για τους οποίους χαίρουν ευρείας αποδοχής και αξιοποίησης τόσο σε παραγωγές μικρής κλίμακας όσο και σε μονάδες μαζικής, βιομηχανικής παραγωγής, είναι βασικά πως επιτρέπουν μεγαλύτερες ταχύτητες κοπής και αποδόσεις συγκριτικά με σιδηρούχα υλικά κοπτικών εργαλείων ενώ είναι λιγότερο ψαθυρά από τα υπόλοιπα μη σιδηρούχα υλικά. Μεταξύ των πιο σημαντικών ιδιοτήτων τους περιλαμβάνεται η μεγάλη σκληρότητα και η ικανότητα διατηρήσεως της σε υψηλές θερμοκρασίες, η μεγάλη πυκνότητα, η υψηλή αντοχή σε θλίψη, το τριπλάσιο μέτρο ελαστικότητας από τους κοινούς χάλυβες (δηλαδή παραμορφώνονται - 5 -

14 2. Θεωρητικό υπόβαθρο εξίσου υπό τριπλάσιο φορτίο), ο χαμηλός συντελεστής θερμικής διαστολής ενώ ταυτόχρονα χαρακτηρίζονται από υψηλό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας σε σχέση με το χάλυβα. Κατά την αφαίρεση υλικού με υψηλότερες ταχύτητες και ρυθμούς αφαίρεσης υλικού παράγεται σαφώς επιπλέον θερμότητα. Ως άμεσο αποτέλεσμα, τίθεται έμφαση από τους παραγωγούς κοπτικών εργαλείων στην ανάπτυξη αντιστοίχων υλικών με ιδιαίτερη ανθεκτικότητα στις υψηλές θερμοκρασίες. Το αποτέλεσμα αυτής της διαδικασίας ήταν η μετάβαση από τους ταχυχάλυβες (High-Speed Steels HSS) στα σκληρομέταλλα, τα σκληρομέταλλα τύπου Cermets, τα κεραμικά και τα υπέρσκληρα υλικά ως βασικά υλικά υποστρώματος Πυροσυσσωμάτωση Η πυροσυσσωμάτωση είναι μια πολύπλοκη διαδικασία όπου μέσω άσκησης υψηλών συμπιεστικών τάσεων και υψηλών θερμοκρασιών σε μίγματα μεταλλικών ή μη κόνεων προκαλείται ο σχηματισμός συνδετικών δεσμών μεταξύ τους, η αύξηση της συνολικής πυκνότητας και η δημιουργία ενός τελικού στερεού σώματος [19]. Η μέθοδος πυροσυσσωμάτωσης βασίζεται στην αρχή της μείωσης της επιφανειακής ενέργειας των κόνεων σε θερμοκρασίες σημαντικά μεγαλύτερες της θερμοκρασίας αποκρυστάλλωσης των εκάστοτε αρχικών υλικών. Η παράλληλη εφαρμογή ισχυρών συμπιεστικών τάσεων συμμετέχει στη διαδικασία για τη διεύρυνση της επαφής μεταξύ των κόνεων και τη διευκόλυνση των μηχανισμών εσωτερικής διάχυσης. Οι κόνεις που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή σκληρομετάλλων σε γενικές γραμμές απαρτίζονται από τα ακόλουθα δομικά υλικά: Κοβάλτιο Co. Το κοβάλτιο αποτελεί το πλέον βέλτιστο και διαδεδομένο συνδετικό υλικό καρβιδίων. Καρβίδια του βολφραμίου (WC), τα οποία κατέχουν από τις υψηλότερες τιμές σκληρότητας τεχνικών υλικών. Ταυτόχρονα, παρουσιάζουν μεγάλη διαλυτότητα στο υγρό κοβάλτιο, ενώ κατά τη χρήση σε κατεργασίας κοπής χαλύβων ενεργοποιούνται φαινόμενα διάχυσης ήδη από θερμοκρασίες κοπής περίπου των 800 C, αλλοιώνοντας τη δομή του σκληρομετάλλου. Καρβίδια του τιτανίου (TiC). Τα συγκεκριμένα καρβίδια εμφανίζουν χημική ευστάθεια σε υψηλότερες θερμοκρασίες και χρησιμοποιούνται σε διαδικασίες αφαίρεσης υλικού με συνεχή γεωμετρία αποβλίττου και υψηλότερες θερμοκρασίες κοπής ενώ έχουν αρνητική επίδραση στη μηχανική αντοχή των σκληρομετάλλων λόγω της σχετικά χαμηλότερης διαλυτότητας τους στο συνδετικό πλέγμα κοβαλτίου

15 2. Θεωρητικό υπόβαθρο Καρβίδια του τανταλίου και του νιοβίου (TaC NbC), τα οποία εισάγονται σε μικρές ποσότητες δημιουργώντας μεικτά καρβίδια και προκαλώντας τη βελτίωση της ολκιμότητας και αύξηση της αντοχής της κοπτικής ακμής του παραγόμενου σκληρομετάλλου μέσω της μείωσης του μεγέθους των κόκκων του. Η διαδικασία παραγωγής των σκληρομετάλλων βασίζεται στην πυροσυσσωμάτωση των παραπάνω στοιχείων σε μορφή κόνεων και περιλαμβάνει αρκετά διαδοχικά στάδια. Η διαδικασία ξεκινάει με την προετοιμασία ενός μίγματος κόνεων καρβιδίων του βολφραμίου (WC), του τιτανίου (TiC), του τανταλίου (TaC) και του νιοβίου (NbC) βάσει συγκεκριμένων αναλογιών, που έχουν οριστεί σύμφωνα με τα επιθυμητά τελικά χαρακτηριστικά για την εκάστοτε κατεργασία κοπής που προορίζεται το τελικό τεμάχιο. Το μίγμα που προκύπτει περνάει από ένα στάδιο υγρής άλεσης σε περιβάλλον αλκοολών ή ακετόνης ή άλλων παρεμφερών υγρών, τα οποία παρέχουν αντιοξειδωτική προστασία, και συμπιέζεται σε μια αρχική μήτρα πυροσυσσωμάτωσης στους 900 C εντός αναγωγικής ατμόσφαιρας ή υψηλού κενού. Αφού αποψυχθεί το αρχικό προϊόν, ακολουθούν ανάλογες διαδικασίες μορφοποίησης, προσεγγίζοντας την τελική γεωμετρία πριν την τελική βαθμίδα πυροσυσσωμάτωσης και συμπίεσης μεταξύ των 1300 και 1600 C καθορίζοντας πλέον την οριστική του μορφή, η οποία περνάει το τελικό στάδιο επιφανειακής επεξεργασίας, όπως λείανση, στίλβωση κ.τ.λ.. Η δομή των σκληρομετάλλων, όπως παρουσιάζεται σε τομή στο Σχήμα 2.2, χαρακτηρίζεται από, ως επί το πλείστον κόκκους καρβιδίων του βολφραμίου με αιχμηρή γεωμετρία και έντονες γωνίες ενώ πιο ομαλά γεωμετρικά στοιχεία συνθέτονται από τα υπόλοιπα μικτά καρβίδια. Τα σκληρομετάλλα διαχωρίζονται ποιοτικά βάσει της μέσης διαμέτρου των κόκκων της δομής τους σε 4 ομάδες. Καθώς αυξάνει το μέγεθος των κόκκων, ορίζονται οι κατηγορίες υπερλεπτόκοκκων (Ultra Fein UF), λεπτόκοκκων (Fein F), συμβατικών (Konditionell K) και χονδρόκοκκων (GroB G). Η διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης διευκολύνεται με την εκλέπτυνση της δομής, μειώνοντας τις απαιτούμενες μέγιστες συνθήκες πίεσης κατά τη συμπίεση των κόνεων ενώ, ταυτόχρονα, προκαλείται αύξηση της τελικής σκληρότητας και της αντίστασης στη φθορά. Στην αντίθετη κατεύθυνση όμως, η μείωση του μεγέθους των κόκκων συνεισφέρει αρνητικά περιορίζοντας την ολκιμότητα του τεμαχίου από σκληρομέταλλο. Τέτοιου είδους σκληρομέταλλα προσφέρονται για κοπή με υψηλό βαθμό μικροκαταπονήσεων της κοπτικής τους ακμής αποφεύγοντας όμως σημαντικές μακροκαταπονήσεις του εργαλείου λόγω αυξημένου ενδεχομένου θραύσης του Τυποποίηση σκληρομετάλλων Λόγω της ευρείας εφαρμογής των σκληρομετάλλων και της ποικιλίας των συνδυασμών του μίγματος κόνεων, έχουν δημιουργηθεί αντίστοιχες ομαδοποιήσεις σκληρομετάλλων σύμφωνα με - 7 -

16 2. Θεωρητικό υπόβαθρο το υλικό για το οποίο προορίζονται να κατεργαστούν και ορίζονται πλήρως στα διεθνή πρότυπα DIN 1505Β και DIN-ISO 513. Οι βασικές ομάδες συμβολίζονται με τα αρχικά P, M, K, N, S και Η. Για πρακτικούς λόγους, η κάθε ομάδα χαρακτηρίζεται και από διαφορετικό κωδικό χρώμα, δηλαδή αντίστοιχα μπλε, κίτρινο, κόκκινο, πράσινο, καφέ και γκρι. Οι τρεις πρώτες ομάδες βρίσκουν κυρίως εφαρμογή για την κοπή σιδηρούχων υλικών, που εμφανίζουν έντονη πλαστική παραμόρφωση και Σχήμα 2.2: Χαρακτηριστικές κρυσταλλικές δομές σκληρομετάλλου σε ενδεικτική κλίμακα. απόβλιττα μεγάλου μήκους η P, που παρουσιάζουν μικρή παραμορφωσιμότητα πριν τη θραύση, όπως οι χυτοσίδηροι, η Κ ενώ η ομάδα Μ προσφέρεται για υλικά μικτών απαιτήσεων ως προς την αντοχή σε φθορά και τη χημική ευστάθεια σε υψηλές θερμοκρασίες. Οι υπόλοιπες ομάδες Ν, S και Η απευθύνονται σε κατεργασίες κοπής μη μεταλλικών κραμάτων, ειδικών κραμάτων ή σκληρών υλικών, ανθεκτικών σε υψηλές θερμοκρασίες αντίστοιχα. Εντός κάθε ομάδας έχουν δημιουργηθεί υποομάδες για τη βέλτιστη απόδοση ανάλογα με το εκάστοτε υλικό υπό κατεργασία. Συγκεκριμένα, μέσω της αύξησης της σχετικής περιεκτικότητας του κοβαλτίου ως υλικού συνδετικού ιστού προκύπτει αύξηση της ολκιμότητας του τελικού σκληρομετάλλου επιφέροντας όμως ελάττωση στην αντίσταση σε φθορά και στη σκληρότητά του. Για διευκόλυνση και απλούστευση των διαδικασιών αφαίρεσης υλικού, έχει προκύψει η τάση περιορισμού των ομάδων σκληρομετάλλων, μέσω της εξέλιξης ευρύτερων κατηγοριών που καλύπτουν αρκετές επιμέρους ομάδες, όπως το σκληρομέταλλο Κ05-Κ20, που υπερκαλύπτει τις κατεργασίες υλικών των υποομάδων Κ05 ως Κ20 [20,21,22,23]. Επιπλέον των γενικών κατηγοριών υλικού, τα κοπτικά πλακίδια ταξινομούνται βάσει των βασικών γεωμετρικών και τεχνολογικών τους δεδομένων. Ο κανονισμός τυποποίησης ISO 1832 περιγράφει με συστηματικό τρόπο δέκα κύρια χαρακτηριστικά: την κατασκευαστική μορφή του πλακιδίου, την κατασκευαστική γωνία ελευθερίας, την κατηγορία ανοχών, τη διαμόρφωση γεωμετρικών χαρακτηριστικών για την καθοδήγηση της ροής του αποβλίττου και τη συγκράτησή του, τη βασική διάσταση του πλακιδίου, το πάχος του, τη γεωμετρία μεταβατικής περιοχής - 8 -

17 2. Θεωρητικό υπόβαθρο μεταξύ της κύριας και της δευτερεύουσας κόψης, τη γεωμετρία της κορυφής του κοπτικού σφήνα, την κατεύθυνση της πρόωσης και στη δέκατη θέση εισάγεται η τυποποίηση του κοπτικού υλικού σύμφωνα με το πρότυπο DIN 4990 ή λοιπές πληροφορίες, όπως η επιφανειακή κατεργασία, η εμπορική ονομασία ή ό,τι κρίνεται απαραίτητο κατά περίπτωση. Επιπλέον τυποποιήσεις και δεδομένα κατασκευαστικών διαστάσεων, μετροτεχνικού ελέγχου ή π.χ. υλικού των πλακιδίων δύναται να συμπεριληφθούν σε επιπλέον θέσεις σύμφωνα με το γενικό κανονισμό ISO 1832 αλλά δεν θεωρείται υποχρεωτικό [22] Κύριες μέθοδοι επιφανειακής βελτίωσης υλικών Τα διάφορα υλικά, και συγκεκριμένα οι επιφάνειές τους, έρχονται συχνά στα όρια των αποδόσεων και αντοχών τους στα πλαίσια του σκοπού που εξυπηρετούν. Υπό αυτήν την προσέγγιση, η επιφανειακή επιβελτίωση τους παρέχει σημαντική αναβάθμιση, μεταξύ άλλων, των οπτικών, ηλεκτρικών και μηχανικών τους ιδιοτήτων. Επιπλέον, διευκολύνει την οπτική διαφοροποίηση και αναγνώριση, βελτιώνει την αίσθηση αφής που αφήνουν και ορίζει την αισθητική τους απόδοση. Σημαντικότερα, προστατεύει απέναντι σε θερμική υπερέκθεση, χημική ή μηχανική διάβρωση, και μειώνει την τριβή και τη φθορά. Οι επικαλυμμένες επιφάνειες επομένως επαυξάνουν αισθητά την παραγωγικότητα και την αποδοτικότητα σε ένα σημαντικό εύρος διαδικασιών βιομηχανικής παραγωγής. Η επικάλυψη των υλικών δύναται να πραγματοποιηθεί με εξαιρετικά ποικίλο τρόπο, καθώς το φάσμα σχετικών τεχνολογιών είναι ιδιαίτερα εκτενές. Μία από τις απλούστερες και πιο γνωστές μεθόδους είναι η βαφή. Από την άλλη πλευρά, οι πιο σύνθετες και αποτελεσματικές μέθοδοι επικάλυψης σε εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας σχετίζονται με καινοτόμες διαδικασίες εναπόθεσης ατμών πλάσματος για την παραγωγή σκληρών και ανθεκτικών στρωμάτων πάχους λίγων νανομέτρων ως μερικών δεκάδων μικρομέτρων. Τα εν λόγω επιφανειακά στρώματα έχουν καθοριστικό ρόλο στη βελτίωση της απόδοσης εργαλείων κοπής και μορφοποίησης, εξαρτημάτων και λειτουργικών στοιχείων ακριβείας [24,25,26]. Η ανάπτυξη μεθοδολογιών εναπόθεσης υπό χαμηλή πίεση, Χημικής Εναπόθεσης Ατμών (Chemical Vapour Deposition - CVD) και Φυσικής Εναπόθεσης Ατμών ( Physical Vapour Deposition - PVD) είχε μεγάλο αντίκτυπο, καθώς παρέχει τη δυνατότητα εναπόθεσης λεπτών στρωμάτων πάχους της τάξεως των νανομέτρων επί των επιφανειών της πλειοψηφίας των τεχνικών υλικών. Η γεωμετρική μεταβολή είναι ελάχιστη ενώ το επιφανειακό στρώμα μπορεί να έχει ιδιότητες εντός ενός εξαιρετικά ευρέως φάσματος, από σκληρές κεραμικές και αδαμάντινες επικαλύψεις ως πολύ μαλακές ή μεγάλου πάχους μεμβράνες πολυμερών [17]

18 2. Θεωρητικό υπόβαθρο Κατά τη δεκαετία του 1980, σκληρές κεραμικές επικαλύψεις TiN, TiC και Al εισήχθησαν εμπορικά, ως επιφανειακά στρώματα σε εργαλεία της κατασκευαστικής βιομηχανίας και οι ρυθμοί φθοράς μειώθηκαν από μία ως δύο τάξεις μεγέθους ή περισσότερο. Κατά την επόμενη δεκαετία, επιφανειακές επικαλύψεις πολύ χαμηλής τριβής διαμαντιού, άνθρακα σαν διαμάντι (Diamond-like Carbon DLC) και MoS 2 αναπτύχθηκαν, με ορισμένες από αυτές να τυγχάνουν εμπορικής αξιοποίησης. Οι ιδιότητες τους ως προς την τριβή και τη φθορά ήταν πάλι βελτιωμένες κατά μία ως δύο τάξεις μεγέθους ως προς τις προηγούμενες λύσεις και ήταν κατάλληλες για στοιχεία μηχανών και συσκευές όπου υπήρχε απαίτηση χαμηλής τριβής και χαμηλής φθοράς. Η δεκαετία του 2000 χαρακτηρίστηκε από σημαντική ανάπτυξη γύρω από την ελεγχόμενη τροποποίηση της εσωτερικής δομής των προστατευτικών επικαλύψεων. Σε αυτό περιλαμβάνεται η ανάπτυξη διαφορετικών σύνθετων μεμβρανών με δομή πλέον της τάξεως των νανομέτρων, όπως πολυστρωματικών, βαθμωτών, νανοσύνθετων και μικρο-κραματωμένων επικαλύψεων (Σχήμα 2.3) [18]. Σχήμα 2.3: Παραλλαγές επικαλύψεων ανάλογα με την εσωτερική σύσταση (ποιοτικά). Οι CVD επικαλύψεις είχαν ήδη δοθεί εμπορικά στην κυκλοφορία για κοπτικά πλακίδια σκληρομετάλλου κατά τη δεκαετία του 1960, αλλά δεν συνάντησαν την επιτυχία των αντιστοίχων με PVD επικάλυψη της δεκαετίας του Αυτή η επιτυχία είχε ως βασική αιτία τη δυνατότητα εφαρμογής των PVD φιλμ σε αρκετά χαμηλότερες θερμοκρασίες της τάξης των C, σε αντίθεση με τους C της αρχικής μεθόδου CVD, γεγονός το οποίο επέτρεπε τη χρήση της PVD μεθόδου σε εργαλεία από ταχυχάλυβα. Επίσης, μέσω της ίδιας διαδικασίας εναπόθεσης, η δυνατότητα ελέγχου του πάχους των επιφανειακών στρωμάτων στην περιοχή της κόψης των κοπτικών εργαλείων παρείχε συγκριτικά πιο αιχμηρές ακμές. Εκτός αυτών, υπήρχαν και άλλες ιδιότητες, όπως υψηλή φυσική σκληρότητα και συμπιεστικές τάσεις εντός του στρώματος της επικάλυψης, οι οποίες έδωσαν την ιδιαίτερη ώθηση στις PVD

19 2. Θεωρητικό υπόβαθρο έναντι των CVD επικαλύψεων. Ιδιαίτερα η ύπαρξη συμπιεστικών τάσεων δυσχεραίνει τη διάδοση ρωγμών εντός του υλικού του εργαλείου, το οποίο υπόκειται σε κρουστικά φορτία. Η δυνατότητα της επικάλυψης μέσω PVD διαδικασιών που δεν προκαλούν χημικές αλληλεπιδράσεις με το υπόστρωμα ήταν επίσης ένα σημαντικό πλεονέκτημα επί των CVD επικαλύψεων, οι οποίες εύκολα αντιδρούσαν με το υπόστρωμα παράγοντας περιστασιακά εύθραυστες δομές καρβιδίων στις διεπιφάνειες. Τέλος, η ευκολία της αφαίρεσης του επιφανειακού φιλμ και της επανατρόχισης των PVD επικαλυμμένων εργαλείων, συγκριτικά με την περίπτωση των εργαλείων επικαλυμμένων μέσω CVD μεθόδων, αποτέλεσε ένα επιπλέον σημαντικό πλεονέκτημα σε μια βιομηχανία ευαίσθητη προς την κατεύθυνση περαιτέρω μείωσης του συνολικού κόστους Τεχνικές εναπόθεσης επί εργαλείων αφαίρεσης υλικού Στo Σχήμα 2.4 παρουσιάζονται οι τεχνολογίες εναπόθεσης επικαλύψεων για κοπτικά εργαλεία, ταξινομημένες ανάλογα με την πίεση και τη θερμοκρασία που απαιτείται για τη διεξαγωγή κάθε διαδικασίας. Σχήμα 2.4: Τεχνολογίες εναπόθεσης για κοπτικά εργαλεία [27]. Η μέθοδος Φυσικής Εναπόθεσης Ατμών (Physical Vapour Deposition PVD) καλύπτει ένα ευρύ φάσμα διαδικασιών εναπόθεσης υπό χαμηλή πίεση, κατά τις οποίες υλικό απομακρύνεται με φυσικό τρόπο από μία πηγή μέσω εξάτμισης ή βομβαρδισμού με σωματίδια, μεταφέρεται εν συνεχεία μέσω κενού ή υποπίεσης από την ενέργεια των σωματιδίων ατμού και συμπυκνώνεται ως φιλμ στις επιφάνειες κατάλληλα τοποθετημένων εξαρτημάτων. Χημικές ενώσεις εναποτίθενται είτε μέσω χρήσης ενός αντίστοιχου στόχου στο πρώτο στάδιο της διαδικασίας ή με την εισαγωγή αντιδρώντων αερίων, όπως Ν 2, Ο 2 ή απλών αερίων υδρογονανθράκων, τα οποία περιέχουν τα επιθυμητά στοιχεία και συνδυάζονται με τους ατμούς των μεταλλικών στοιχείων. Μία εκτενής οικογένεια των PVD διαδικασιών έχει εξελιχθεί εντός των τελευταίων δύο

20 2. Θεωρητικό υπόβαθρο δεκαετιών και η πλειοψηφία τους χαρακτηρίζεται ανάλογα με την πηγή ή τη διαδικασία παραγωγής των ατμών των μεταλλικών στοιχείων, όπως περιγράφεται στο Σχήμα 2.5. Η μέθοδος Χημικής Εναπόθεσης Ατμών (Chemical Vapour Deposition CVD) διαφέρει ιδιαίτερα από τις διαδικασίες εναπόθεσης ατμών πλάσματος. Βασίζεται σε φαινόμενα που ενεργοποιούνται από τη θερμότητα και εξαρτάται από την αντίδραση αερίων χημικών ενώσεων με κατάλληλα προετοιμασμένα και θερμασμένα υποστρώματα. Ο κυρίαρχος αντιδρών ατμών μπορεί να προέρχεται από μεταλλικά αλογόνα (Cl, Br, I, F) ή από μεταλλικές καρβονυλικές ενώσεις, M (CO), όπως και από κάποια μεταλλικά υδρίδια ή οργανομεταλλικές ενώσεις. Για την Σχήμα 2.5: Κύριες μέθοδοι επιφανειακής επιβελτίωσης κοπτικών υλικών [25]. αποσύνθεση ή την αφαίρεση του μεταλλικού του μεταλλικού τμήματος, εμπλέκεται μεταφορά θερμότητας με αποτέλεσμα η θερμοκρασία του υποστρώματος να ξεπερνά σημαντικά οποιαδήποτε άλλη θερμοκρασία του συστήματος. Για αυτόν το λόγο, ο θάλαμος της αντίδρασης έχει αυξημένες πιθανότητες εμφάνισης προβλήματος συγκριτικά με οποιαδήποτε άλλο τμήμα

21 2. Θεωρητικό υπόβαθρο του συστήματος εναπόθεσης. Επίσης, η πλειονότητα των αντιδράσεων διεξάγονται εντός άνυδρου και αναερόβιου περιβάλλοντος, συχνά σε περιβάλλον υποπίεσης. Οι τυπικές θερμοκρασίες εναπόθεσης κυμαίνονται μεταξύ των 800 και 1200 C. Η θερμοκρασία της διαδικασίας επηρεάζει επίσης τη δυνατότητα παραγωγής επικαλύψεων με ομοιόμορφο πάχος και λεπτόκοκκη δομή. Στις PVD και CVD μεθόδους είναι κοινώς επιθυμητή η επεξεργασία υπό σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, παρόλο που αυτό απαιτεί συχνά κάποιο συμβιβασμό στο ρυθμό εναπόθεσης. Σχετικά λιγότερες CVD αντιδράσεις είναι διαθέσιμες σε θερμοκρασίες μικρότερες των 800 C (Μoderate-Τemperature CVD MTCVD). Ωστόσο, η θερμοκρασία που απαιτείται για την εκάστοτε αντίδραση μπορεί, σε ορισμένες περιπτώσεις, να μειωθεί μέσω της έκθεσης του υποστρώματος σε ένα ηλεκτρικό πλάσμα εντός του αερίου κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης. Αυτή η διαδικασία αναφέρεται ως υποβοηθούμενη από πλάσμα (Plasma-Assisted - PA-CVD). Χαρακτηριστικό Εναπόθεση Ατμών Πλάσματος Χημική Εναπόθεση Ατμών (PVD) (CVD) Διαδικασία Τα σωματίδια της επικάλυψης μεταφέρονται από το στόχο στο εργαλείο σε ευθεία γραμμή. H επικάλυψη ουσιαστικά μεγαλώνει στην επιφάνεια του εργαλείου Πλεονεκτήματα 1. πάχη 3-5 μm ταιριάζουν σε εργαλεία με οξείες κοπτικές ακμές, όπου μια επικάλυψη μεγαλύτερου πάχους θα τις άμβλυνε και ενδεχομένως παρουσίαζε προβλήματα συνάφειας 2. Διεξάγεται σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, επιτρέποντας την επικάλυψη εργαλείων με βάση ταχυχάλυβες ή εργαλειοχάλυβες 1. παρουσιάζει γενικά καλύτερη σύνδεση με το υπόστρωμα και ενδεχομένως βελτίωση στην απόδοση λόγω της αυξημένης συνάφειας 2. επιτρέπει μεγαλύτερα πάχη επικάλυψης, δηλαδή περισσότερη δυνατότητα φθοράς για την κοπτική ακμή και πιθανώς μεγαλύτερη διάρκεια ζωής χωρίς τη μεταβολή των ιδιοτήτων τους Θερμοκρασία Χαμηλή 200 ο C ο C Υψηλή ~1000 ο C διαδικασίας Υλικά επικάλυψης TiN, TiCN, TiAlN TiC, TiCN, TiN, Al 2 O 3 Εφαρμογές Διάτρηση, αποπεράτωση, γραναζοκοπή, διάνοιξη Τορνάρισμα, φρεζάρισμα, σπειροτόμηση, αυλάκωση Πίνακας 2.1: Συγκριτικός πίνακας των CVD και PVD διαδικασιών εναπόθεσης Χαρακτηρισμός ιδιοτήτων επικαλύψεων Η εις βάθος κατανόηση των μηχανικών ιδιοτήτων των PVD και CVD επικαλύψεων, μεταξύ των οποίων συγκαταλέγονται η δυναμική αντοχή, η δυσθραυστότητα, η ποιότητα συνάφειας, κ.α., αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση, μαζί με τη γνώση των τριβολογικών ιδιοτήτων και της επίδρασης της γεωμετρίας, για το χαρακτηρισμό της απόδοσης τους και την ανάλογη αντιστοίχιση τους για κάθε εφαρμογή

22 2. Θεωρητικό υπόβαθρο Για την ποσοτικοποίηση αυτών των παραμέτρων έχουν αναπτυχθεί ποικίλες πειραματικές και αναλυτικές διαδικασίες, οι οποίες παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες υλικού της επικάλυψης, του υποστρώματος και της ίδιας της συνεισφοράς της γεωμετρίας του κοπτικού εργαλείου και περιλαμβάνονται στο Σχήμα 2.6, χωρίς να εξαντλούνται πλήρως. Αυτές οι διαδικασίες, σε συνδυασμό κατά περίπτωση με υπολογισμούς της μεθόδου πεπερασμένων στοιχείων, παρέχουν ικανοποιητικές εξηγήσεις και προσεγγίσεις των μηχανισμών αστοχίας των επικαλύψεων, περιορίζοντας το συνολικό πειραματικό κόστος βελτιστοποίησης των συνθηκών κατεργασίας. Σχήμα 2.6: Χαρακτηριστικές μέθοδοι προσδιορισμού χαρακτηριστικών επικαλύψεων [28]

23 2. Θεωρητικό υπόβαθρο 2.6. Δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης Σημαντικό τμήμα των πειραματικών δοκιμασιών πραγματοποιήθηκε στο δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης (Σχήμα 2.7), μία διάταξη καταστρεπτικού ελέγχου επικαλύψεων η οποία αποτελεί την κατάληξη της ερευνητικής συνεργασίας προηγουμένων ετών του Εργαστηρίου Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας του Α.Π.Θ. με τη γερμανική εταιρεία CemeCon AG. Η αρχή λειτουργίας του συγκεκριμένου δοκιμαστηρίου βασίζεται στη σχετική ερευνητική εργασία του καθηγητή Otto Knotek [6]. Σύμφωνα με τη συγκεκριμένη προσέγγιση, μέσω της αλληλεπίδρασης δύο ισχυρών μαγνητικών πεδίων ενός σταθερού και ενός ηλεκτρομαγνητικού πεδίου που μεταβάλλεται με τη συχνότητα του ρεύματος της παροχής του - προκαλείται έντονη ταλαντευτική κίνηση στο δεύτερο, το οποίο ταλαντώνεται κατακόρυφα γύρω από μια θέση ισορροπίας. Το ζητούμενο κρουστικό φορτίο προκαλείται με την εισαγωγή του δοκιμίου ως εμπόδιο εντός της διαδρομής του ταλαντωτή, μεταξύ του κάτω νεκρού σημείου της τροχιάς του και της θέσης ισορροπίας του. Αυτή η παρεμβολή στην εξαναγκασμένη ταλάντωση επιφέρει την απότομη μεταβολή της ορμής της μάζας που παλινδρομεί, με αποτέλεσμα την άσκηση κρουστικού φορτίου στο εμπόδιο/δοκίμιο. Στη συγκεκριμένη πειραματική διάταξη, η άκρη του ταλαντευόμενου άξονα έχει διαμορφωθεί κατάλληλα και επιτρέπει την πρόσδεση σφαιρικού εισβολέα σκληρομέταλλου Κ05 ή κεραμικού εισβολέα καρβιδίων του βολφραμίου WC, τυπικής διαμέτρου Ø5 mm, ο οποίος και διεισδύει περιοδικά στην επιφάνεια του δοκιμίου με το εκάστοτε μέγιστο επιθυμητό φορτίο. Οι διαδοχικές κρούσεις εφαρμόζονται με συχνότητα 50 Hz ενώ η διάρκεια της εκάστοτε κρούσεις είναι μόλις 4 msec. Το σύνολο της πειραματικής διάταξης ελέγχεται και παρακολουθείται με κατάλληλο λογισμικό σε γραφικό περιβάλλον προγραμματισμού LabVIEW. Η δοκιμή κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης αποτελεί μια αποτελεσματική μέθοδο για το χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων κόπωσης ενός επικαλυμμένου συστήματος που υπόκειται σε δυναμικά φορτία κατά τη λειτουργία του και επιτρέπει τη διερεύνηση διαφόρων μηχανικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων, όπως κόπωση, ποιότητα συνάφειας, αντοχή σε μικρο-απόξεση, κτλ. [6,29,30,31,32,33]. Οι λεπτές σκληρές επικαλύψεις που παράγονται είτε με φυσική ή χημική εναπόθεση ατμών είναι διαδεδομένο είδος προστασίας στοιχείων μηχανών ή κοπτικών εργαλείων που καταπονούνται δυναμικά και δύναται να χαρακτηριστούν με την κρουστική δοκιμασία σε συνθήκες παραπλήσιες των πραγματικών για την εξαγωγή χρήσιμων συμπερασμάτων ή και των ιδίων καμπυλών Smith και Wöhler της εκάστοτε επικάλυψης (Σχήμα 2.8)

24 2. Θεωρητικό υπόβαθρο Σχήμα 2.7: Πειραματική διάταξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου. Ο προσδιορισμός του ορίου κρίσιμης αντοχής σε κόπωση επικαλύψεων μέσω της δυναμικής τους καταπόνησης έπειτα από 10 6 κύκλους φόρτισης αποτελεί την αρχική και κύρια εφαρμογή του δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης. Ως όριο κρίσιμης αντοχής σε κόπωση ορίζεται το μέγιστο κάθετο φορτίο ή η αντίστοιχη ισοδύναμη τάση κατά Von Mises, υπό τα οποία δεν αστοχεί το υλικό λόγω κόπωσης ενώ το όριο των 10 6 φορτίσεων θεωρείται ως επαρκές όριο διαρκούς αντοχής σε κόπωση ως ευρέως αποδεκτή σύμβαση, δηλαδή το μέγιστο φορτίο για το οποίο το εξεταζόμενο δοκίμιο δεν αστοχήσει έπειτα από 10 6 κύκλους φόρτισης αποτελεί το όριο κρίσιμης αντοχής του και βρίσκεται στο πεδίο ασφαλούς συνεχούς λειτουργίας με θεωρητικά άπειρη αντοχή. Η αξιολόγηση της αστοχίας και της έκτασης της φθοράς πραγματοποιείται κυρίως μέσω μικροφασματικής ανάλυσης και εντοπισμού στοιχείων του εκάστοτε υποστρώματος μέσω ΕDX και εν συνεχεία του λογισμικού WEPROC2 [34,35], το οποίο αναλύει τη χρωματική πυκνότητα φωτογραφιών οπισθοσκεδαζόμενων ηλεκτρονίων Σαρωτικού Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου και προσδιορίζει το ποσοστό επιφάνειας αστοχίας (Fracture Ratio FR). Σε περιπτώσεις όπου οι ανωτέρω μέθοδοι οπτικού ελέγχου δεν είναι πρόσφορες, μπορεί να γίνει εκμετάλλευση του γεγονότος πως αναλόγως του φορτίου διείσδυσης και των μηχανικών ιδιοτήτων του δοκιμίου

25 2. Θεωρητικό υπόβαθρο αναπτύσσεται ένα μόνιμο κοίλο αποτύπωμα του εισβολέα λόγω πλαστικής παραμόρφωσης του. Ο υπολογισμός των διαστάσεων ή του απομακρυσμένου όγκου του αποτυπώματος αναλόγως του φορτίου διείσδυσης και η σύγκρισή του με τις διαστάσεις του αποτελέσματος προσομοίωσης της διαδικασίας διείσδυσης επιτρέπει επίσης υπό περιπτώσεις την αξιολόγηση του βαθμού αστοχίας της επικάλυψης. Σχήμα 2.8: α) Δοκιμασία κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης και β) προσομοίωση της κρουστικής δοκιμασίας μέσω ItecPlus. Ο υπολογισμός των ιδιοτήτων κόπωσης της επικάλυψης προσδιορίζεται μέσω της κρίσιμης δύναμης αστοχίας όπως προκύπτει μέσω πειραμάτων κρούσης και διεξάγεται με τη βοήθεια του λογισμικού ΙtecPlus. Ως δεδομένα εισόδου εισάγονται η κρίσιμη δύναμη αστοχίας, οι μηχανικές ιδιότητες της επικάλυψης και του υποστρώματος, υπό τη μορφή γραμμικής προσέγγισης πέντε τμημάτων ως την πλαστική περιοχή, συμπεριλαμβανομένου του εκάστοτε συντελεστή Poisson, το πάχος της επικάλυψης και η σκληρότητα HRC του υποστρώματος. Ως δεδομένα εξόδου λαμβάνονται η ακτίνα του αποτυπώματος πριν και μετά την αστοχία, η κατανομή των ισοδύναμων τάσεων κατά von Mises σε όλο το μήκος της ακτίνας του αποτυπώματος, όπως και τα διαγράμματα Smith και Wöhler [36]

26 2. Θεωρητικό υπόβαθρο Σχήμα 2.9: Προσομοίωση της πλάγιας κρουστικής δοκιμασίας και ποσοτικοποίηση της συνάφειας επικάλυψης-υποστρώματος. Η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της πλάγιας κρουστικής διαδικασίας μέσω κατάλληλου τρισδιάστατου μοντέλου προσομοίωσης, σύμφωνα με το Σχήμα 2.9, παρέχει ποσοτικά αποτελέσματα για τη δύναμη συνάφειας της επικάλυψης επί του υποστρώματος. Αυτό επιτυγχάνεται με τον υπολογισμό της αύξησης της μέγιστης ισοδύναμης τάσης που αναπτύσσεται στην επικάλυψη κατά τη διείσδυση με το σφαιρικό εισβολέα της δοκιμής και μεταβάλλεται ανάλογα με το λόγο της εφαπτομενικής cs t και της κάθετης cs n στιβαρότητας (Contact Stiffness ration CSR) καταλλήλων στοιχείων επαφής μεταξύ επικάλυψης και υποστρώματος. Η σύγκριση των μεγίστων τάσεων με την ισοδύναμη τάση αντοχής σε κόπωση του επιφανειακού φιλμ οδηγεί στην ποσοτική εκτίμηση της ποιότητας της συνάφειας του με το υπόστρωμα, η οποία χαρακτηρίζεται από εξαιρετική ως ελλιπής ανάλογα με τον τελικό λόγο CSR. Αντίστοιχη μεθοδολογία έχει αναπτυχθεί για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων ερπυσμού επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού μέσω αξιολόγησης αποτελεσμάτων της κρουστικής δοκιμασίας [10,12]. Η διάταξη του δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων μπορεί επίσης να τροποποιηθεί κατάλληλα για τη συγκράτηση και διεξαγωγή πειραμάτων επί τεμαχίων περίπλοκης και σύνθετης γεωμετρίας, την άσκηση του κρουστικού φορτίου υπό κλίση, τη χρήση λιπαντικού μέσου κατά την κρουστική δοκιμασία, κτλ. [36,37]. Επιπλέον, η δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσεις έχει εφαρμοστεί με επιτυχία για τη διασύνδεση της συμπεριφοράς PVD επικαλύψεων επί κοπτικών εργαλείων σε επαναλαμβανόμενη κρούση υπό διάφορα φορτία και σε διάφορα επίπεδα θερμοκρασίας με την απόδοση σε κατεργασίες αφαίρεσης υλικού, μέσω της προσέγγισης ενός συστήματος θέρμανσης δοκιμίων [38,39]. Η αρχική διάταξη θέρμανσης που

27 2. Θεωρητικό υπόβαθρο αναπτύχθηκε στα πλαίσια της προηγούμενης ερευνητικής εργασίας παρήγαγε ενθαρρυντικά αποτελέσματα, ωστόσο εμφάνιζε βασικές ελλείψεις σε επίπεδο ευχρηστίας, παρακολούθησης λειτουργίας και ασφάλειας, τόσο του χρήστη όσο και του ίδιου του εξοπλισμού Έδρανα κυλίσεως και ολισθήσεως Τα έδρανα κυλίσεως και ολισθήσεως αποτελούν στοιχεία μηχανών με κύριο σκοπό τη στήριξη περιστρεφόμενων άλλον στοιχείων μηχανών όπως ατράκτων, αξόνων κτλ, μέσω της παραλαβής εγκάρσιων και αξονικών φορτίσεων ενώ κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τη μορφή της δύναμης που δύναται να παραλάβουν. Ως επί το πλείστον αποτελούνται από δύο δακτυλίους, το στροφέα που κινείται περιστροφικά μαζί με το στοιχείο, και το έδρανο, το οποίο μένει κατά κανόνα ακίνητο. Στην περίπτωση εδράνων κύλισης, το φορτίο μεταφέρεται από τον ένα δακτύλιο στον άλλο μέσω σωμάτων κύλισης ενώ στην περίπτωση του εδράνου ολίσθησης μέσω της ανάπτυξης υδροδυναμικού σφήνα μεταξύ του εσωτερικού και εξωτερικού δακτυλίου κατά τη σχετική περιστροφή. Στο διάκενο λίγων δεκάτων του χιλιοστού μεταξύ των δύο δακτυλίων εδράνου ολίσθησης τροφοδοτείται λιπαντικό, υπό πίεση, ώστε να περιορίζεται η επαφή τους και η φθορά ολισθήσεως κατά την κανονική λειτουργία. Η εφαρμογή σκληρών λεπτών επικαλύψεων στις ενεργές επιφάνειες των εδράνων κύλισης έχει συνεισφέρει σε καθοριστικό βαθμό στη βελτίωση της απόδοσης και συμπεριφορά τους σε συνθήκες ημίυγρης ή ακόμα ξηράς τριβής, προσφέροντας αυξημένη αντοχή σε συμβατική φθορά και χαμηλό συντελεστή τριβής [40,41]. Αντίστοιχα αποτελέσματα σε άλλα στοιχεία μηχανών αποδεικνύουν τα πλεονεκτήματα της χρήσης PVD επικαλύψεων στις ενεργές επιφάνειες τριβής υπό πίεση και άλλων τριβολογικών συστημάτων [4,42,43,44]. Τα κυματοειδή έδρανα επινοήθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 90 και αποτελούν ένα στάδιο εξέλιξης των εδράνων ολίσθησης. Ένα κυματοειδές έδρανο είναι παρόμοιο με ένα τυπικό περιοδικό έδρανο ολίσθησης, φέρει όμως ένα κυματοειδές προφίλ περιγεγραμμένο στην εσωτερική επιφάνεια του εδράνου. Στο Σχήμα 2.10 παρουσιάζεται σε αντιπαραβολή η γεωμετρία του κλασσικού εδράνου και του κυματοειδούς υπό μεγέθυνση για να οπτικοποιηθεί η γεωμετρία. Τυπικά, η επιπλέον κυκλικότητα δεν ξεπερνά κατά προσέγγιση το 1/1000 της ακτίνας του δακτυλίου. Η προσθήκη αυτής της γεωμετρικής μορφής βελτιώνει τη στιβαρότητα του εδράνου και παρέχει καλύτερες συνθήκες λίπανσης

28 2. Θεωρητικό υπόβαθρο Σχήμα 2.10: Περιοδικό έδρανο τριπλής κυμάτωσης (η κυμάτωση ενδεικτικά σε μεγέθυνση)

29 3. Σκοπός της εργασίας 3. Σκοπός της εργασίας Για τη διερεύνηση των ιδιοτήτων των συστημάτων και κυρίως της δυναμικής αντοχής - επικάλυψης- υποστρώματος απαιτείται εξειδικευμένος και αξιόπιστος εργαστηριακός εξοπλισμός, ο οποίος στη συντριπτική πλειοψηφία των περιπτώσεων αποτελεί τον καρπό προσπαθειών πανεπιστημιακών τμημάτων, ερευνητικών κέντρων ή μακροχρόνιων ερευνών κατασκευαστριών εταιριών κοπτικών, σύμφωνα με τις εκάστοτε ερευνητικές τους αναζητήσεις. Στην πρώτη περίπτωση, οι σχετικές πειραματικές συσκευές και μεθοδολογίες παρουσιάζονται επιγραμματικά στα πλαίσια δημοσιεύσεων και συνεδριακών παρουσιάσεων, ενώ στη δεύτερη περίπτωση, η μεταφορά της αντίστοιχης τεχνογνωσίας στο σύνολο της δεν αποτελεί φυσικά δυνατότητα. Ενδεικτικά αναφέρονται εναλλακτικές μεθοδολογίες, ιδιοσυσκευές και διαδικασίες που έχουν αναπτυχθεί, οι οποίες προσεγγίζουν τη δυναμική αντοχή επικαλύψεων και υποστρωμάτων τόσο μακροσκοπικά όσο και μικροσκοπικά σε διάφορες θερμοκρασίες μέσω επαναλαμβανόμενων φορτίσεων κρούσης, κάμψης, εφελκυσμού/θλίψης, κ.α. [45,46,47,48,49,50]. Ως εκ τούτου, η διάχυση της σχετικής τεχνογνωσίας αποτελεί ιδιαίτερα επίπονη διαδικασία. Επιπροσθέτως, παρόλο που οι συνθήκες διεξαγωγής των πειραματικών διαδικασιών είναι προσεκτικά επιλεγμένες για την απομόνωση και εξέταση συγκεκριμένων ιδιοτήτων υλικού υπό εύστοχα επιλεγμένο περιβάλλον εργαστηρίου, οι συνολικές πειραματικές συνθήκες εξακολουθούν να απέχουν σημαντικά από αυτές που επικρατούν κατά το σύνθετο περιβάλλον πραγματικής φόρτισης. Επίσης, αποτελεί διαδεδομένη πρακτική η προσέγγιση και εξέταση σχετικών ιδιοτήτων μέσω πειραματικών δοκιμασιών επί δοκιμίων προκαθορισμένης και συγκεκριμένης γεωμετρίας, διαφορετικής από τη γεωμετρία του τελικού τεμαχίου. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η εξέλιξη υπαρχουσών και η ανάπτυξη νέων ευέλικτων πειραματικών διατάξεων και μεθοδολογιών χαρακτηρισμού των μηχανικών ιδιοτήτων και της απόδοσης συστημάτων επικάλυψης υποστρώματος επικαλυμμένων ή μη ένθετων κοπτικών πλακιδίων και άλλων στοιχείων μηχανών με αξιόπιστο και ελεγχόμενο τρόπο σε συνθήκες που προσεγγίζουν σε μεγαλύτερο βαθμό τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, κυρίως κατά κατεργασίες διακοπτόμενης κοπής. Ταυτόχρονα, σαφής επιδίωξη είναι η δυνατότητα χρήσης τυπικών, έτοιμων ένθετων κοπτικών πλακιδίων και τελικών επικαλυμμένων τεμαχίων, εξαλείφοντας την ανάγκη δοκιμίων ιδιαίτερης γεωμετρίας, όπως και η δυνατότητα αξιοποίησης του εξοπλισμού τόσο για τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών τους όσο και για τον ταχύ ποιοτικό έλεγχο συγκεκριμένων ιδιοτήτων σε διαδικασίες και σειρές παραγωγής. Αρχικά θα παρουσιαστούν τα βήματα εξέλιξης του υπάρχοντος δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου, οι βασικές τροποποιήσεις και παραλλαγές της λειτουργίας του, ενώ στα κεφάλαια 6-8 θα παρουσιαστούν σχετικές εφαρμογές του εξελιγμένου δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου. Προηγούμενες σχετικές μελέτες επικεντρώθηκαν στον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων

30 3. Σκοπός της εργασίας και ιδιοτήτων κόπωσης επικαλύψεων επί ένθετων κοπτικών πλακιδίων και εδράνων κύλισης με το συνδυασμό πειραματικών και αναλυτικών μεθόδων, λαμβάνοντας άμεσα πολύτιμα συμπεράσματα σχετικά με τη διάρκεια ζωής των κοπτικών πλακιδίων σε τυπικές κατεργασίες αφαίρεσης υλικού. Μια θεμελιώδης βάση τέθηκε με τις εργασίες [12,51,10] όπου το δοκιμαστήριο κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων αξιοποιήθηκε για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων κόπωσης και μηχανισμών αστοχίας PVD φιλμ και επικαλύψεων θερμικού ψεκασμού, όπως και των χαρακτηριστικών συνάφειας με το υπόστρωμα με την εφαρμογή πειραματικής αναλυτικής μεθοδολογίας, και σε ορισμένες περιπτώσεις. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας θα παρουσιαστεί η εφαρμογή του εξελιγμένου δοκιμαστηρίου για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων κόπωσης PVD επικαλύψεων σε θερμοκρασίες ανώτερες της θερμοκρασίας περιβάλλοντος. Επίσης θα εξεταστεί η αντοχή σε κόπωση ακάλυπτων πλακιδίων σκληρομετάλλου επί της περιοχής φόρτισης τους κατά τη λειτουργία, δηλαδή με εφαρμογή κρουστικών φορτίων σε μικρή απόσταση από τις κοπτικές τους ακμές, όπως και η επίδραση της θερμοκρασίας στην αντοχή σε κόπωση των σχετικών περιοχών. Με αυτόν τον τρόπο θα επιδιωχθεί η λήψη συμπερασμάτων σχετικά με την επίδραση των θερμοκρασιών που αναπτύσσονται κατά την ίδια τη διαδικασία PVD και CVD εναπόθεσης επικαλύψεων. Για την επίτευξη του παραπάνω στόχου επιδιώκεται η ανάπτυξη κατάλληλου μοντέλου προσομοίωσης, για τον υπολογισμό των εσωτερικών τάσεων που αναπτύσσονται κατά την πειραματική διαδικασία και τον προσδιορισμό των πεδίων τάσεων που αναπτύσσονται. Μέσω του υπολογισμού της εκάστοτε κρίσιμης τάσης αστοχίας παρέχεται η δυνατότητα της πρόβλεψης της αστοχίας υλικού υπό εναλλασσόμενη φόρτιση, όπως κατά τις κατεργασίες φρεζαρίσματος. Θα ακολουθήσει η περιγραφή ενός νέου ευέλικτου δοκιμαστηρίου ελέγχου, όπου επικαλυμμένα ή μη δοκίμια υπόκεινται ταυτόχρονα σε μεγάλες πιέσεις και θερμοκρασίες υπό ελεγχόμενη ατμόσφαιρα. Με αυτόν τον τρόπο προσεγγίζονται οι συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που επικρατούν στην επιφάνεια των κοπτικών εργαλείων κατά τις διαδικασίες φρεζαρίσματος. Αντίστοιχη εφαρμογή του δοκιμαστηρίου παρουσιάζεται σε επόμενη ενότητα της εργασίας, όπου θα διερευνηθεί η επίδραση της θερμοκρασίας και της πίεσης στη μεταβολή της επιφανειακής και εσωτερικής σύστασης τυπικών PVD επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων. Η δομή της ερευνητικής δραστηριότητας που θα παρουσιαστεί στην παρούσα εργασία περιγράφεται σχηματικά στο Σχήμα

31 3. Σκοπός της εργασίας Σχήμα 3.1: Δομή της ερευνητικής δραστηριότητας που θα παρουσιαστεί στην παρούσα εργασία

32 4. Πειραματικές διατάξεις 4. Πειραματικές διατάξεις Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας, έγινε χρήση κατάλληλων πειραματικών και μετρητικών διατάξεων, οι οποίες είτε συμπεριλαμβανόταν στον υπάρχων τεχνικό εξοπλισμό του Εργαστηρίου Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας (ΕΕΔΜ,) είτε αποτελούσαν μέρος του εργαστηριακού εξοπλισμού συναφών τμημάτων και εργαστηρίων του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, είτε εξελίχθηκαν στα πλαίσια της συγκεκριμένης ερευνητικής προσπάθειας Συσκευή νανοσκληρομέτρησης Η γνώση χαρακτηριστικών μεγεθών των μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών υπό εξέταση, όπως το μέτρο ελαστικότητας και το όριο διαρροής, αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για την υπολογιστική αξιολόγηση των εκάστοτε πειραματικών αποτελεσμάτων. Μέσω σύγχρονων συσκευών νανοδιείσδυσης παρέχεται η δυνατότητα να εκτιμηθούν οι ιδιότητες αντοχής διαφορών υλικών. Η συσκευή νανοσκληρομέτρησης που χρησιμοποιήθηκε για τα πειράματα που θα παρουσιασθούν είναι της εταιρίας Helmut FISCHER GmbH & Co, μοντέλο FISCHERSCOPE H100 και φαίνεται στο Σχήμα 4.1. Στη συσκευή εφαρμόζονται αδαμάντινοι εισβολείς τύπου Berkovich, Vickers και Knοοp. Η όλη διαδικασία εκτελείται με πλήρως αυτοματοποιημένο τρόπο μέσω του λογισμικού WIN-HCU ver 1.9. Μεταξύ των δυνατοτήτων της διάταξης αυτής συμπεριλαμβάνεται η μέτρηση με μέγιστο φορτίο από 1 ως 1000 mn με διακριτοποίηση 0.1 mn, ο υπολογισμός της Γενικευμένης Σκληρότητας (Universal Hardness UH), η οποία δύναται να μετατραπεί σε σκληρότητα Vickers σύμφωνα με τη διαδικασία που προδιαγράφεται από το DIN 50359, όπως επίσης και η απευθείας μέτρηση της σκληρότητας Vickers με βάση το DIN [52]. Ομοίως, για τη διεξαγωγή των δοκιμασιών νανοδιείσδυσης σε θερμοκρασίες ανώτερες των 20 C αξιοποιήθηκε η διάταξη Micro Materials Ltd NanoΤest [53]. Σε αμφότερη διάταξη παρέχεται η δυνατότητα της ταυτόχρονης καταγραφής της εφαρμοζόμενης δύναμης ως προς τη διείσδυση του εισβολέα. Μέσω της καταγραφής αυτής είναι δυνατός ο μετέπειτα υπολογιστικός προσδιορισμός της καμπύλης τάσης - παραμόρφωσης της εκάστοτε επικάλυψης και υποστρώματος [51,54-62]. [51,54,55,56,57,58,59,60,61,62]. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης προσπάθειας έγινε χρήση της διάταξης με τρίεδρο εισβολέα Βerkovich, ο οποίος είναι ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος για δοκιμασίες νανοδιείσδυσης με σκοπό την αξιολόγηση των μηχανικών ιδιοτήτων του δοκιμίου στη μίκρο- και νάνο-κλίμακα

33 4. Πειραματικές διατάξεις Σχήμα 4.1: Νανοσκληρόμετρο της εταιρίας FISCHER GmbH & Co Συσκευή εισβολής με αδαμάντινο κωνικό εισβολέα Μέσω της διαδικασίας εισβολής μπορούν να εξαχθούν ποιοτικά συμπεράσματα σχετικά με τη συνάφεια της επικάλυψης με το υπόστρωμα. Η διαδικασία διεξάγεται με τo σκληρόμετρο Galileo, που είναι εξοπλισμένο με εισβολέα Rockwell C, όπως προδιαγράφεται από τη σύσταση VDI 3198/1991 [63] και παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.2. Κατά τη διάρκεια της δοκιμής, ένας αδαμάντινος εισβολέας διεισδύει στην επικάλυψη με φορτίο που φτάνει τα 150 kn. Εν συνεχεία αξιολογούνται οπτικά οι μικρορωγμές περιφερειακά του αποτυπώματος εισβολής και οι ζώνες συναφειακής αστοχίας. Ενδεικτικά παραδείγματα αποδεκτής και μη αποδεκτής συνάφειας επικάλυψης με το υπόστρωμα παρουσιάζονται στο δεξί τμήμα του ίδιου σχήματος [64]

34 4. Πειραματικές διατάξεις Σχήμα 4.2: α) Δοκιμασία εισβολής με τη μέθοδο Rockwell C και β) χαρακτηριστικά αποτυπώματα αποδεκτής και μη αποδεκτής συνάφειας Οπτική και Σαρωτική Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Ο έλεγχος των δοκιμίων και ο προσδιορισμός της φθοράς, παραμόρφωσης ή αστοχίας τους διεξήχθη με τη χρήση διαφόρων διατάξεων μικροσκοπίας και σχετικών συναφών διαδικασιών ανάλυσης Στερεοσκοπικό μικροσκόπιο Σχήμα 4.3: Στερεοσκοπικό μικροσκόπιο. Οι απλές παρατηρήσεις που απαιτούσαν οπτικό έλεγχο, καθώς και η καταγραφή του αποτελέσματος της δοκιμασίας κρατεροποίησης διεξήχθησαν με οπτικές παρατηρήσεις μέσω του μικροσκοπίου της εταιρίας Zeiss, μοντέλο Stemi 2000-C, το οποίο και αποτελεί τμήμα του

35 4. Πειραματικές διατάξεις εργαστηριακού εξοπλισμού του Εργαστηρίου Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας, Α.Π.Θ.. Το συγκεκριμένο μικροσκόπιο έχει τη δυνατότητα ψηφιακής καταγραφής της κάθε μέτρησης μέσω συνδεδεμένης κάμερας και άμεση επεξεργασία και αποθήκευση σε περιβάλλον ηλεκτρονικού υπολογιστή Ηλεκτρονικό μικροσκόπιο Η διαδικασία ανάλυσης πειραματικών αποτελεσμάτων περιλαμβάνει κατά περίπτωση την τοπογραφική και μορφολογική μελέτη τους μέσω λήψης φωτογραφιών και στοιχειομετρική ανάλυση με τη βοήθεια Σαρωτικού Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου (Scanning Electron Microscope SEM), τύπου JSM-840Α, το οποίο είναι τμήμα του εργαστηριακού εξοπλισμού του Εργαστηρίου Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας του Α.Π.Θ. (Σχήμα 4.4). Η συγκεκριμένη διάταξη παρέχει φωτογραφίες υψηλής ευκρίνειας καθώς και τη δυνατότητα μικροφασματικής ανάλυσης της επιφάνειας του δοκιμίου (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy- EDS ή EDX) [65]. H μέγιστη μεγέθυνση του συγκεκριμένου οργάνου αγγίζει τις x ενώ η διαφορά δυναμικού της ηλεκτρονικής δέσμης κυμαίνεται από 2 μέχρι 20 kv. Οι φωτογραφίες προέρχονται από τη λήψη των δευτερευόντων επιφανειακών και οπισθοσκεδαζόμενων ηλεκτρονίων. Η ηλεκτρονική δέσμη σαρώνει την επιφάνεια του παρατηρουμένου δείγματος με τη βοήθεια κατάλληλης διάταξης πηνίων σάρωσης. Η σάρωση έχει ως αποτέλεσμα την εκπομπή ηλεκτρονίων από την επιφάνεια του δοκιμίου όπως περιγράφεται στο Σχήμα 4.5. Ένας ανιχνευτής, τοποθετημένος κοντά στο δείγμα, συλλέγει ένα μεγάλο ποσοστό των δευτερευόντων ηλεκτρονίων, που εκπέμπονται από την επιφάνεια του δείγματος και μέχρι βάθους περίπου 10 nm, τα οποία χρησιμοποιούνται για το σχηματισμό της τελικής εικόνας, καθώς και ένα μικρότερο αριθμό οπισθοσκεδαζομένων ηλεκτρονίων - πρακτικά όσων η τροχιά κατευθύνεται προς τον ανιχνευτή. Η εικόνα παρέχει πληροφορίες που βοηθούν στην τοπογραφική και μορφολογική μελέτη των εξεταζόμενων δειγμάτων. Επιπλέον, για την κατασκευή του διαγράμματος έντασης ενέργειας, η διάταξη του μικροσκοπίου SEM είναι εφοδιασμένη με έναν ειδικό αισθητήρα ακτινών -Χ και ονομάζεται φασματογράφος ανάλυσης ενεργειακής διασποράς ακτινών - X (Energy Dispersive X-ray Spectrometer, EDS), ο οποίος παρέχει ταυτόχρονα τη δυνατότητα στοιχειομετρικής ανάλυσης του παρατηρούμενου δείγματος. Κατά τη διαδικασία της σημειακής στοιχειομετρικής ανάλυσης, οι τιμές ενέργειας των ακτινών Χ που ανακλώνται από ένα σημείο του δείγματος συγκρίνονται με γνωστές χαρακτηριστικές ενέργειες στοιχείων και ταυτοποιούνται. Η ενέργεια της εκάστοτε ακτίνας Χ είναι χαρακτηριστική του στοιχείου από το οποίο εκπέμπεται. Ανιχνεύονται στοιχεία με μεγαλύτερο ατομικό αριθμό

36 4. Πειραματικές διατάξεις Σχήμα 4.4: Σαρωτικό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (SEM). Σχήμα 4.5: Αναπαράσταση λειτουργίας ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σαρώσεως. από το Βηρύλλιο με ατομικό βάρος 4. Κατά τη διαδικασία της γραμμικής ανάλυσης (linescanning), η δέσμη ηλεκτρονίων σαρώνει ένα προεπιλεγμένο ευθύγραμμο τμήμα της επιφάνειας του δοκιμίου, ενώ ανιχνεύονται ακτίνες Χ από διακριτές θέσεις κατά μήκος της γραμμής σάρωσης. Η ανάλυση του ενεργειακού φάσματος σε κάθε θέση παρέχει διαγραμματικά

37 4. Πειραματικές διατάξεις τη σχετική στοιχειακή συγκέντρωση των στοιχείων που εντοπίζονται ως προς τη θέση της δέσμης ηλεκτρονίων. Σε αντιστοιχία με τις προηγούμενες τεχνικές, είναι δυνατή η τοπογραφική ανάλυση μιας επιφάνειας των δειγμάτων (X-ray mapping), κατά την οποία ανιχνεύεται στο επίπεδο σάρωσης ένα χαρακτηριστικό φωτόνιο ακτινών Χ συγκεκριμένου στοιχείου υπό εξέταση ώστε τελικά να δημιουργείται μια εικόνα από φωτεινές κηλίδες, η ένταση των οποίων σχετίζεται με τη συγκέντρωση του εν λόγω στοιχείου σε αυτήν την περιοχή του δείγματος. Σχήμα 4.6: O όγκος αλληλεπίδρασης της ηλεκτρονικής δέσμης με δείγμα Cu [66] Συσκευή τρισδιάστατης σάρωσης επιφανειών Στα πλαίσια του προσδιορισμού γεωμετρικών χαρακτηριστικών των δοκιμίων τόσο πριν όσο και μετά τις πειραματικές δοκιμασίες έγινε χρήση του οπτικού, τρισδιάστατου συστήματος μετρήσεων μsurf explorer της εταιρείας NanoFocus AG (Σχήμα 4.7) [67]. Πρόκειται για έναν τρισδιάστατο σαρωτή επιφανειών, βασισμένο στην τεχνολογία confocal Multi-Pinhole, που μπορεί να εφαρμοστεί για τη μέτρηση και την ανάλυση επιφανειών με ακρίβεια της τάξεως νανομέτρων. Η εγκατάσταση αποτελείται από μια κεφαλή μέτρησης που μπορεί και κινείται στην κάθετη διεύθυνση (z άξονας) με βήμα της τάξεως [nm] και από μια τράπεζα εργασίας που κινείται με ακρίβεια στις διευθύνσεις x και y. Η κινήσεις στους 3 άξονες ελέγχονται μέσω ενός αναλογικού μοχλού ή μέσω λογισμικού

38 4. Πειραματικές διατάξεις Μέσω της εν λόγω συσκευής μπορούμε να προσδιορίσουμε την τρισδιάστατη μορφή εξωτερικών επιφανειών και να εξάγουμε γεωμετρικά χαρακτηριστικά όπως τραχύτητα, επιπεδότητα, διαστάσεις συγκεκριμένων μορφών επί της επιφάνειας κτλ.. Ανάλογα με το φακό που χρησιμοποιείται, μπορούν να εξεταστούν επιφάνειες 260x260 μm 2 μέχρι 1.6x1.6 mm 2. Έπειτα από περαιτέρω ανάλυση και επεξεργασία των δεδομένων σχηματίζεται η τελική τρισδιάστατη εικόνα στον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Μέσω επεξεργασίας και συρραφής εκάστοτε μετρούμενων περιοχών, οι συνολικά εξεταζόμενες επιφάνειες μπορεί να είναι πολύ μεγαλύτερης έκτασης. Η αρχή λειτουργίας του μικροσκοπίου μsurf explorer είναι βασισμένη στην τεχνική ομοεστίασης (confocal technique) λευκού φωτός και σχεδιάστηκε ειδικά για τον ποιοτικό έλεγχο τεχνικών επιφανειών ως ένα ανεξάρτητο τρισδιάστατο σύστημα μέτρησης. Η μέτρηση λαμβάνεται χρησιμοποιώντας ένα ομοεστιακό οπτικό μικροσκόπιο λευκού φωτός. Όταν ένα αντικείμενο απεικονίζεται από ένα κοινό μικροσκόπιο, η εικόνα που παράγεται προέρχεται από όλο το ύψος της επιφάνειας του δοκιμίου με αποτέλεσμα να μην προέρχεται μόνο από το επίπεδο εστίασης του φακού. Το ομοεστιακό μικροσκόπιο αποβάλει αυτές τις εκτός εστίασης πληροφορίες, απεικονίζοντας μόνο τις εστιασμένες δέσμες φωτός. Καταγράφεται σταδιακά το ανακλώμενο φως από ως 1000 επίπεδα διαφορετικού ύψους κατά τη διάρκεια της μέτρησης, διαμορφώνοντας τελικά την τρισδιάστατη τοπογραφία της περιοχής [68]. Σχήμα 4.7: Διάταξη εγκατάστασης NanoFocus μsurf explorer και λεπτομέρεια του φακού Συσκευή κρατεροποίησης για τον προσδιορισμό του πάχους επικαλύψεων Σημαντική παράμετρος στην απόδοση και συμπεριφορά των PVD επικαλύψεων αποτελεί το πάχος του στρώματος της επικάλυψης. Αυτό το χαρακτηριστικό είναι κρίσιμης σημασίας, κυρίως στην περίπτωση υπό εξέταση των λεπτών και σκληρών προστατευτικών φιλμ και έχει επισημανθεί σε σχετικές έρευνες [64,69,70,71]. Η διαδικασία μέτρησης του πάχους της

39 4. Πειραματικές διατάξεις επικάλυψης πραγματοποιείται με τη συσκευή Ball Crater device της εταιρίας CemeCon AG (Σχήμα 4.8). Η αρχή λειτουργίας της συσκευής βασίζεται στην τοπική απόξεση και απομάκρυνση της επικάλυψης μέσω της περιστροφής χαλύβδινης σφαίρας συγκεκριμένης διαμέτρου επί του δοκιμίου με ωρολογιακή ή αντιωρολογιακή φορά και με ταυτόχρονη εφαρμογή αιωρήματος κόκκων διαμαντιού συγκεκριμένων διαστάσεων ως μέσο απόξεσης στο σημείο επαφής σφαίρας και επικάλυψης. Με αυτόν τον τρόπο, το αποτύπωμα που προκύπτει είναι συγκεκριμένης μορφής που αντιστοιχεί σε τομή επιφάνειας και σφαίρας, όπως φαίνεται σε Σχήμα 4.8: Συσκευή μέτρησης πάχους επικάλυψης. μεγέθυνση στο κάτω δεξί τμήμα του σχήματος. Η διάρκεια της διαδικασίας ποικίλει ανάλογα με τις ιδιότητες του στρώματος της επικάλυψης και συνεχίζει έως ότου αποκαλυφθεί επαρκώς το υπόστρωμα. Εν συνεχεία, με οπτική επεξεργασία του αποτελέσματος καταγράφονται τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά μεγέθη Χ και Υ του αποτυπώματος. Η τιμή του πάχους της επικάλυψης προσεγγίζεται ικανοποιητικά με την εφαρμογή της απλής μαθηματικής σχέση που περιλαμβάνεται στο ίδιο σχήμα Συσκευή τραχυμέτρησης Ο έλεγχος της τραχύτητας τόσο των ακάλυπτων όσο και των επικαλυμμένων PVD δοκιμίων που έχουν υποβληθεί σε διάφορες επιφανειακές κατεργασίες πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια της συσκευής τραχυμέτρησης Surtronic 3+ της εταιρείας Taylor Hobson [72] (βλέπε Σχήμα 4.9α). Η συσκευή τραχυμέτρησης Surtronic 3+ επικοινωνεί ενσύρματα με ηλεκτρονικό υπολογιστή και μέσω του λογισμικού Talyprofile παρέχεται η δυνατότητα ηλεκτρονικής αποθήκευσης και αξιολόγησης των αποτελεσμάτων της εκάστοτε μέτρησης και υπολογισμού των χαρακτηριστικών μεγεθών τραχύτητας R a, R t και R Sm. Χαρακτηριστικές περιπτώσεις τραχυγραφήματος για ένα στιλβωμένο και ένα μικροκοκκοβολημένο πλακίδιο σκληρομετάλλου

40 4. Πειραματικές διατάξεις K05-K20 εκθέτονται στο Σχήμα 4.9β. Με τη βοήθεια διαφόρων τύπων στυλίσκων, όπως 112/1504, 112/1505 και 112/1506, είναι δυνατή η μέτρηση της τραχύτητας κυρτών επιφανειών με σχετικά μεγάλο βάθος. Σχήμα 4.9: α) Συσκευή τραχυμέτρησης και β) ενδεικτικά αποτελέσματα Διατάξεις προετοιμασίας δοκιμίων: πριόνι ακριβείας, λειαντική μηχανή Το στάδιο αξιολόγησης των δοκιμών, περιελάμβανε κατά περίπτωση την εγκάρσια τομή τους κάθετα στην επικαλυμμένη επιφάνεια. Με αυτόν τον τρόπο καθίστατο δυνατή η παρατήρηση και αξιολόγηση της χημικής τους σύστασης σε συνάρτηση με την απόσταση από την επιφάνεια μέσω XRD ανάλυσης. Σχήμα 4.10: α) Διάταξη κοπής και β) λείανσης δοκιμίων. Η συσκευή που χρησιμοποιήθηκε για τις σχετικές τομές είναι το μοντέλο ακριβείας IsoMet Low Speed Saw της εταιρείας Buehler GmbH, Σχήμα 4.10α. Έχει τη δυνατότητα συγκράτησης δοκιμίων ακανόνιστου σχήματος και ενσωματωμένο μικρομετρικό κανόνα για την ακριβή

41 4. Πειραματικές διατάξεις τοποθέτηση του δοκιμίου ως προς το δίσκο κοπής, η ταχύτητα του οποίου παίρνει τιμές μεταξύ rpm. Η λείανση δοκιμίων διεξήχθη σε διάφορα στάδια ως την τελική στίλβωση των αναγκαίων επιφανειών μέσω της συσκευής Phoenix Beta grinder/polisher. Κατά τη διαδικασία λείανσης έγινε σταδιακή χρήση σμυριδόχαρτων Νο 800, 1200, 2000, κτλ. με κόκκους μικρότερου κάθε φορά μεγέθους ως το τελικό στάδιο λείανσης με αιώρημα κόκκων διαμαντιού. Η διάταξη που χρησιμοποιήθηκε παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.10β

42 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, το κλασσικό δοκιμαστήριο κρουστικού ελέγχου πέρασε από ορισμένα στάδια εξέλιξης και μετατροπών, που είχαν ως στόχο τη διεξαγωγή δοκιμών σε συγκεκριμένη απόσταση από την κοπτική ακμή ένθετων πλακιδίων με υψηλή ακρίβεια τοποθέτησης εντός του δοκιμαστηρίου, τη διεξαγωγή πειραματικών δοκιμών στην κοίλη και στην κυρτή επιφάνεια επικαλυμμένων τεμαχίων κυλινδρικής γεωμετρίας και την επέκταση του θερμοκρασιακού εύρους διεξαγωγής των τυπικών κάθετων πειραμάτων με αυξημένα επίπεδα ασφάλειας, αξιοπιστίας, πρακτικότητας και επαναληψιμότητας Εξέλιξη δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης υψηλών θερμοκρασιών Η βασική ιδέα πάνω στην οποία στηρίχθηκε ο σχεδιασμός της μονάδας κρουστικού ελέγχου υπό υψηλές θερμοκρασίες ήταν η διεξαγωγή δοκιμασιών επαναλαμβανόμενης κρούσης εντός ενός αυξημένου θερμοκρασιακού πεδίου, το εύρος του οποίου αντιστοιχεί στις θερμοκρασίες που αναπτύσσονται κατά τις τυπικές κατεργασίες αφαίρεσης υλικού. Ταυτόχρονα, βασική επιδίωξη ήταν η βελτίωση της αξιοπιστίας της μονάδας, η ενσωμάτωση συστημάτων αυτόματου ελέγχου και καταγραφής κρίσιμων παραμέτρων κατά τη λειτουργία, η αναβάθμιση της συνολικής ασφάλειας του δοκιμαστηρίου και η εναρμόνιση του με τα διεθνή πρότυπα και τυποποιήσεις. Η κύρια διάταξη αποτελείται από τρία βασικά τμήματα, το μηχανικό τμήμα, τον πίνακα ελέγχου και τη μονάδα ελέγχου, εντός και των τριών ενσωματώθηκαν πλήρως τα επιπλέον εξαρτήματα για την επίτευξη υψηλών θερμοκρασιών με κατάλληλες προσθήκες, τροποποιήσεις και παρεμβάσεις. Οι βασικές ενότητες της διάταξης εκθέτονται στο Σχήμα Ενσωμάτωση - εξέλιξη διάταξης θέρμανσης Ο σκοπός της διάταξης θέρμανσης του δοκιμίου έχει ως σκοπό τη διατήρηση της θερμοκρασίας του δοκιμίου σε αυξημένα επίπεδα κατά τη διάρκεια των δοκιμασιών κρουστικού ελέγχου. Κατά τη διάρκεια ενός πειράματος πραγματοποιείται η μέτρηση της θερμοκρασίας σε 3 θέσεις της διάταξης θέρμανσης και διατηρείται στα επιθυμητά επίπεδα μέσω αντιστοίχων ελέγχων και αυτοματισμών. Το θερμοκρασιακό εύρος της διάταξης θέρμανσης κυμαίνεται από θερμοκρασία περιβάλλοντος ως 500 C, λόγω των ορίων υπερθέρμανσης της αερόψυκτης βάσης και όχι λόγω εξάντλησης της δυνατότητας θέρμανσης. Η διάταξη θέρμανσης απαρτίζεται από 3 βασικά επιμέρους στοιχεία, το φούρνο θέρμανσης, τη συσκευή θέρμανσης αέρα και την ψυχόμενη βάση στήριξης του δοκιμίου, τα οποία τοποθετούνται κατάλληλα εντός του μηχανικού τμήματος του δοκιμαστηρίου κρούσης. Κάθε στοιχείο της διάταξης θέρμανσης περιγράφεται ξεχωριστά παρακάτω

43 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων Σχήμα 5.1: Γενική άποψη του δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου. Βάση διάταξης θέρμανσης Η βάση της διάταξης θέρμανσης εξυπηρετεί τόσο στη χωροθέτηση του φούρνου και συγκράτηση του δοκιμίου όσο και στη θερμική προστασία της βάσης του δοκιμαστηρίου. Το δοκίμιο συγκρατείται στην κορυφή ενός μεταλλικού κυλίνδρου πυρίμαχου ανοξείδωτου χάλυβα στο κέντρο της βάσης, ο άξονας του οποίου συμπίπτει με τον άξονα του φούρνου και του δοκιμαστηρίου. Τόσο μεταξύ του κυλίνδρου και της βάσης της διάταξης θέρμανσης όσο και μεταξύ της δεύτερης και της συνολικής βάσης του δοκιμαστηρίου παρεμβάλλονται σκληρά κεραμικά μονωτικά υλικά για τον περιορισμό της θερμορροής, διατηρώντας όμως την αυξημένη μηχανική στιβαρότητα που απαιτείται λόγω του κρουστικού δυναμικού χαρακτήρα των πειραματικών δοκιμών. Επίσης έγινε πρόβλεψη συστήματος ψύξης της βάσης της διάταξης θέρμανσης, μέσω της παροχής αέρα σε αγωγούς στο εσωτερικό της σε περίπτωση που αυτό κρίνεται απαραίτητο

44 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων Φούρνος θέρμανσης Για τη θέρμανση του δοκιμίου επιλέχτηκε ένας συμβατικός φούρνος υψηλής απόδοσης σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά που περιλαμβάνει ο Πίνακας 5.1. Το σώμα του φούρνου είναι κυλινδρικής μορφής και έχει κατασκευαστεί από κεραμικό μονωτικό υλικό. Τοποθετείται πάνω στην ψυχόμενη βάση στήριξης, μεταξύ των οποίων παρεμβάλλονται στρώματα κεραμικών μονωτικών υλικών για τη μείωση των θερμικών απωλειών. Τύπος Superthal SMU Υλικό μόνωσης φούρνου θέρμανσης Κεραμοβάμβακας Εξωτερική διάμετρος [mm] 200 Eσωτερική διάμετρος [mm] 40 Ύψος [mm] 90 Υλικό αντίστασης Kanthal Super 1800 Διάμετρος σύρματος αντίστασης [mm] 3 Μήκος αντίστασης [mm] 74 Βήμα σπείρας αντίστασης [mm] 15 Μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας [ C] 1500 Μέγιστη ένταση λειτουργίας [Α] 32.8 Iσχύς [W] 319 Πίνακας 5.1: Τεχνικά χαρακτηριστικά συμβατικού φούρνου θέρμανσης. Στο φούρνο θέρμανσης πραγματοποιείται η θέρμανση του εκάστοτε επικαλυμμένου δοκιμίου, του ανωτέρου στελέχους της βάσης στήριξης και η επέκταση του άξονα του δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου, όπου είναι συγκρατημένος ο σφαιρικός εισβολέας, ώστε να διατηρείται η ομοιογένεια του θερμοκρασιακού πεδίου του δοκιμίου κατά την έναρξη και τη διεξαγωγή των πειραμάτων. Η απαιτούμενη ισχύς για τη λειτουργία του φούρνου παρέχεται από το αντίστοιχο σύστημα τροφοδοσίας, το οποίο απαρτίζεται κυρίως από ένα μετασχηματιστή ρεύματος και έναν ηλεκτρονόμο (ρελέ) στερεής κατάστασης, τα οποία έχουν ενσωματωθεί στο ηλεκτρολογικό τμήμα του δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου. Η λειτουργία του ελέγχεται και παρακολουθείται εξολοκλήρου μέσω του λογισμικού ελέγχου της διάταξης. Συσκευή θέρμανσης αέρα Κατά τη διάρκεια της δοκιμασίας κρουστικού ελέγχου προκύπτουν διάφορα σωματίδια στην επιφάνεια επαφής του σφαιρικού εισβολέα και του δοκιμίου λόγω τοπικής υπερφόρτισης και αστοχίας. Η παρουσία τους επιταχύνει την περαιτέρω εξέλιξη της φθοράς και εισάγει έναν αστάθμητο παράγοντα στην πειραματική διαδικασία. Με γνώμονα τη διασφάλιση της

45 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων επαναληψιμότητας της διαδικασίας υπάρχει πρόβλεψη της απομάκρυνσής τους μέσω ενός ισχυρού, συνεχούς ρεύματος αέρα. Στη συγκεκριμένη περίπτωση όπου το δοκίμιο είναι σε θερμοκρασία ανώτερη της θερμοκρασίας περιβάλλοντος, το ρεύμα αέρα προθερμαίνεται σε αντίστοιχη θερμοκρασία με το δοκίμιο μέσω μιας κατάλληλης συσκευής, που φέρει τα χαρακτηριστικά που αναφέρει ο Πίνακας 5.2, ώστε να αποφευχθεί η αυξημένη απώλεια θερμότητας λόγω συναγωγής. Επίσης, παρέχει τη δυνατότητα θέρμανσης διαφόρων αδρανών αερίων αντί αέρα, για το ενδεχόμενο αποφυγής ενίσχυσης φαινομένων οξείδωσης σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Τύπος Hot Air Tool 3500 Υλικό κελύφους Ανοξείδωτος χάλυβας Μέσο λειτουργίας αέρας / αδρανή αέρια Ελάχιστη πίεση εισόδου [mbar] 70 Μέγιστη πίεση εισόδου [bar] 4 Μέγιστη θερμοκρασία εισόδου [ C] 50 Μέγιστη θερμοκρασία εξόδου [ C] 760 Ελάχιστη ροή εισόδου [slpm] 43 Μέτρηση θερμοκρασίας εξόδου ενσωματωμένο θερμοζεύγος τύπου Κ Ισχύς [kw] 3.5 Μέγιστη τάση λειτουργίας [V] 240 Πίνακας 5.2: Τεχνικά χαρακτηριστικά συσκευής θέρμανσης αέρα. Η συγκεκριμένη συσκευή τοποθετείται σε προδιαμορφωμένη θέση επί της κεραμικής μόνωσης του φούρνου, ώστε η έξοδος του ακροφυσίου της συσκευής θέρμανσης αέρα να απέχει περίπου 20 mm από το δοκίμιο και να κατευθύνει το ροή στην επιφάνεια του. Η θερμοκρασία εξόδου του ρευστού μετράται μέσω ενσωματωμένου θερμοστοιχείου τύπου Κ στο στόμιο εξόδου της συσκευής ενώ η μικρή απόσταση μεταξύ του ακροφυσίου και του δοκιμίου διασφαλίζει την ελάχιστη πτώση της ως το στόχο της επιφάνειας του δοκιμίου. Επίσης, τα εξαρτήματα για τη λειτουργία και τον έλεγχο του θερμαντήρα αέρα ενσωματώθηκαν στους πίνακες ηλεκτρολογικών και πνευματικών εξαρτημάτων της μονάδας του δοκιμαστηρίου. Πίνακες ηλεκτρικών, ηλεκτρονικών και πνευματικών εξαρτημάτων Με σκοπό την εναρμόνιση της εγκατάστασης με τα σύγχρονα πρότυπα ασφαλείας που διέπουν τις ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές εγκαταστάσεις, το σύνολο των εξαρτημάτων και συστημάτων παρακολούθησης και ελέγχου της μονάδας ελέγχου του δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου εγκαταστάθηκαν εντός μεταλλικού πίνακα βαθμού προστασίας IP 65, σε συμφωνία με τα πρότυπα EN50298 και EN Η διαρρύθμιση τους στα πλαίσια της νέας χωροθέτησης έγινε με γνώμονα τόσο την ευκολία πρόσβασης κατά τις διαδικασίες συντήρησης όσο και την ασφάλεια κατά την οποιαδήποτε μελλοντική επέμβαση ή αναβάθμιση στο εσωτερικό του

46 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων Συγκεκριμένα, τo σύνολο των ηλεκτρικών εγκαταστάσεων διαμορφώθηκε σε συμφωνία με τις προδιαγραφές και οδηγίες που περιέχει ο Πίνακας 5.3. Σχήμα 5.2: Μηχανικό τμήμα δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου και υπομονάδας υψηλών θερμοκρασιών άποψη του πίνακα ελέγχου. Τα πνευματικά εξαρτήματα χωροθετήθηκαν με αντίστοιχο σκεπτικό εντός ξεχωριστού, μικρότερου πίνακα, ιδίου βαθμού προστασίας, ο οποίος προσαρμόστηκε στην πλαϊνή πλευρά του κυρίως πίνακα, όπως διακρίνεται στο δεξί τμήμα από το Σχήμα 5.2. Οι δύο πίνακες συνδέονται μεταξύ τους κατάλληλα για την ασφαλή διέλευση των απαραίτητων αγωγών τροφοδοσίας και επικοινωνίας. 73/23/EEC The Low Voltage Directive and its amending directives 89/336/EEC The Electromagnetic Compatibility Directive and its amending directives EN Safety of machinery Electrical equipment of machines Part 1: General requirements EN Electromagnetic compatibility (EMC) Part 6-4: Generic standards Emission standard for industrial environments EN Electromagnetic compatibility (EMC) Part 6-3: Generic standards Emission standard for residential, commercial and light-industrial environments EN Safety of machinery Indication, marking and actuation Part 1: Requirements for marking Πίνακας 5.3: Προδιαγραφές σχεδίασης και κατασκευής δοκιμαστηρίου

47 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων Επικοινωνία μονάδων τροφοδοσίας και ελέγχου. Λόγω των αυξημένων πλέον απαιτήσεων σε πλήθος σημάτων ελέγχου της διάταξης κρουστικού ελέγχου ως σύνολο, η σύνδεση των μονάδων τροφοδοσίας και ελέγχου επεκτάθηκε με τη χρήση δύο εξωτερικών καρτών δειγματοληψίας της εταιρίας Νational Instruments Ιnc.. Αυτές εγκαταστάθηκαν στη μονάδα τροφοδοσίας και συνδέονται με τη μονάδα ελέγχου μέσω θυρών USB. Ο Πίνακας 5.4 και ο Πίνακας 5.5 περιλαμβάνουν λεπτομέρειες για τις συγκεκριμένες κάρτες δειγματοληψίας αντίστοιχα. Τύπος NI USB-6229 Αναλογικά κανάλια εισόδου 32 Αναλογικά κανάλια εξόδου 4 Ψηφιακές κανάλια εισόδου/εξόδου 48 Ανάλυση [bit] 16 Μέγιστος ρυθμός δειγματοληψίας [ksamples/s] 250 Τάση αναλογικής εισόδου/εξόδου [V] Τάση ψηφιακής εισόδου/εξόδου [V] Τροφοδοσία Εξωτερική Διασύνδεση USB 2.0 Πίνακας 5.4: Τεχνικά χαρακτηριστικά εξωτερικής κάρτας δειγματοληψίας NI USB Τύπος NI USB-9211A Αναλογικά κανάλια εισόδου θερμοστοιχείων 4 Ανάλυση [bit] 24 Μέγιστος ρυθμός δειγματοληψίας [samples/s] 14 Θερμοκρασία λειτουργίας [ C] Προστασία θορύβου 50/60 [Hz] Εσωτερικό κανάλι αντιστάθμισης ψυχρής ένωσης Εσωτερικό κανάλι αυτόματου μηδενικού σημείου Μέγιστη κατανάλωση [ma] 500 Διασύνδεση USB 2.0 Μέγιστο σφάλμα λειτουργίας [%] 0.1 Μέγιστο σταθερό σφάλμα μετατόπισης [μv] 20 Πίνακας 5.5: Τεχνικά χαρακτηριστικά εξωτερικής κάρτας δειγματοληψίας μέτρησης θερμοκρασιών NI USB-9211A. Η κάρτα ΝΙ-6229 αποτελεί ένα ολοκληρωμένο εξωτερικό σύστημα δειγματοληψίας γενικής χρήσης, με τη δυνατότητα λήψης και αποστολής αναλογικών και ψηφιακών σημάτων συνεχούς τάσης συχνότητας της τάξης των 250 khz και ανταποκρίνεται πλήρως στις απαιτήσεις δειγματοληψίας δυναμικών φορτίων συχνότητας 50 Hz. Για την καθοδήγηση και τον έλεγχο του δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου χρησιμοποιούνται 5 αναλογικά σήματα εισόδου και 2 αναλογικά και 2 ψηφιακά σήματα εξόδου. Για τον έλεγχο της υπομονάδας υψηλών

48 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων θερμοκρασιών και των συμπληρωματικών της συσκευών απαιτούνται επιπλέον μια αναλογική είσοδος, 2 αναλογικές και 3 ψηφιακές έξοδοι, οι οποίες παρέχουν τα κατάλληλα σήματα για τη πλήρη καθοδήγηση της διάταξης με σημαντικό επίπεδο αυτοματισμού. Πρακτικά, πλέον ο χρήστης καλείται απλά να ενεργοποιήσει τον κεντρικό διακόπτη της μονάδας τροφοδοσίας ενώ όλες οι παράμετροι της διάταξης παρακολουθούνται και ελέγχονται μέσω των σημάτων του λογισμικού ελέγχου του Η/Υ. Η δεύτερη κάρτα δειγματοληψίας, ΝΙ-9211, εξειδικεύεται στη λήψη μετρήσεων θερμοκρασίας, μέσω σύνδεσης έως τεσσάρων θερμοστοιχείων και την τροφοδοσία του εκάστοτε σήματος προς ηλεκτρονικό υπολογιστή. Έχει ενσωματωμένο φίλτρο χαμηλών συχνοτήτων (low pass, antialiasing filter), αντιστάθμιση ψυχρής ένωσης για την ελαχιστοποίηση σφαλμάτων μέτρησης (Cold junction compensation), δυνατότητα ανίχνευσης ανοικτού κυκλώματος θερμοστοιχείου και προσφέρει ακριβείς μετρήσεις για χαμηλούς ρυθμούς μεταβολής θερμοκρασίας Εξέλιξη λογισμικού ελέγχου Το λογισμικό πρόγραμμα ελέγχου του δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου τροποποιήθηκε κατάλληλα για την ταυτόχρονη σύνδεση των δύο καρτών δειγματοληψίας, τη λήψη και επεξεργασία των επιπλέον σημάτων, τη διαμόρφωση καταλλήλων σημάτων ελέγχου λειτουργίας του δοκιμαστηρίου και της υπομονάδας υψηλών θερμοκρασιών μέσω αντιστοίχων Σχήμα 5.3: Γραφικό περιβάλλον ελέγχου διάταξης κρουστικού ελέγχου

49 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων αναλογικών ή ψηφιακών εξόδων και τη λεπτομερή καταγραφή παραμέτρων λειτουργίας [73]. Η επιφάνεια εργασίας του λογισμικού ελέγχου, με έμφαση στους επιπλέον ελέγχους και ενδείξεις, παρουσιάζεται στο Σχήμα 5.3. Πλέον των αρχικών ενδείξεων και κομβίων ελέγχου που απαιτούνται για τη λειτουργία του δοκιμαστηρίου, ενσωματώθηκαν σε μια ξεχωριστή υποενότητα τα αντίστοιχα στοιχεία που επιτηρούν και ελέγχουν την υπομονάδα υψηλών θερμοκρασιών. Συγκεκριμένα, η διαδικασία είναι ιδιαίτερα απλοποιημένη, καθώς ο χρήστης εισάγει μόνο τις επιθυμητές τιμές παροχής αέρα και επιθυμητής θερμοκρασίας του φούρνου και της συσκευής θέρμανσης αέρα και εκκινεί τη λειτουργία των συστημάτων αυτομάτου ελέγχου. Ενσωμάτωση ελέγχου ηλεκτρικού φούρνου Ο έλεγχος και η παρακολούθηση της λειτουργίας του ηλεκτρικού φούρνου διεξάγεται μέσω κατάλληλων υποπρογραμμάτων του λογισμικού προγράμματος ελέγχου της διάταξης. Συγκεκριμένα, ενσωματώθηκε ένας PI αναλογικός ολοκληρωτικός ελεγκτής ο οποίος ρυθμίζει αυτόματα τη θερμοκρασία του φούρνου στην εκάστοτε επιθυμητή. Καθώς ο φούρνος ρυθμίζεται μέσω διακοπής της παροχής του, ο ελεγκτής ρυθμίζει τη διάρκεια ψηφιακού σήματος ενεργοποιώντας για το αντίστοιχο χρονικό διάστημα την τροφοδοσία του φούρνου μέσω αντίστοιχου ηλεκτρονόμου. Ως αποτέλεσμα, κατά τη λειτουργία του φούρνου, η θερμοκρασία του εκτελεί ταλάντωση γύρω από την επιθυμητή με μέγιστη διακύμανση της τάξεως των ±2 C. Έλεγχος συσκευής θέρμανσης αέρα Η λειτουργία της συσκευής θέρμανσης αέρα χωρίζεται σε 2 βασικές υποενότητες, τον έλεγχο της τροφοδοσίας ρεύματος και τον έλεγχο της παροχής αέρα προς θέρμανση στη συσκευή. Για την πρώτη υποενότητα διαμορφώθηκε αντίστοιχη υπορουτίνα PID αυτομάτου ελέγχου, η οποία ενσωματώθηκε στο κανονικό πρόγραμμα ελέγχου του δοκιμαστηρίου. Η έξοδος του ελεγκτή δημιουργεί ένα συνεχές αναλογικό σήμα ως αναλογική έξοδος συνεχούς τάσης 0-10 V και ρυθμίζει μέσω ηλεκτρονικού κυκλώματος ισχύος την τάση τροφοδοσίας του θερμαντήρα με συνεχή τρόπο από 0 V ως την τάση δικτύου των 220 V. Λόγω της ευαισθησίας του συστήματος και του αναλογικού τρόπου ελέγχου, επιτυγχάνεται η ταχύτατη και σταθερή απόκριση του συστήματος με μέγιστη απόκλιση που δεν ξεπερνά τους 0.5 C από την εκάστοτε επιθυμητή τιμή. Η δεύτερη υποενότητα ελέγχου της συσκευής θέρμανσης αέρα αφορά τον έλεγχο της παροχής του αέρα προς θέρμανση. Καθώς λόγω προηγουμένων δοκιμών, η συσκευή θέρμανσης αέρα αποτελεί το πιο ευαίσθητο τμήμα του εξοπλισμού ως προς την πιθανότητα υπερθέρμανσης και

50 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων αστοχίας λόγω σφάλματος ελέγχου ή ανάρμοστου χειρισμού, υπήρξαν 2 στάδια εξέλιξης του συγκεκριμένου υποπρογράμματος, τα οποία περιλαμβάνουν αλλαγές ή προσθήκες τόσο του λογισμικού όσο και των συσκευών εντός του πίνακα πνευματικών εξαρτημάτων. Εξέλιξη ελέγχου παροχής αέρα συσκευής θέρμανσης αέρα Σύμφωνα με τις προδιαγραφές λειτουργίας του κατασκευαστή, η περιοχή λειτουργίας της συσκευής θέρμανσης αέρα ορίζεται μέσω της παρεχόμενης ροής ή πίεσης εισόδου. Κατά την αρχική διαμόρφωση του συστήματος ελέγχου της παροχής αέρα εισόδου προς θέρμανση, για λόγους συμβατότητας με υπάρχοντα εξοπλισμό, επιλέχθηκε η χειροκίνητη ρύθμιση της τιμής πίεσης αέρα εισόδου με ένα μανόμετρο ακριβείας σε μια αποδεκτή τιμή και η διατήρηση αυτής καθ όλη τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας. Ωστόσο, παρατηρήθηκε η σημαντική μείωση της τελικής εισερχόμενης ροής προς θέρμανση στη συσκευή με την αύξηση της θερμοκρασίας εξόδου της, όπως και η ιδιαίτερη εξάρτηση της από το μήκος του αγωγού σύνδεσης μεταξύ της συσκευής θέρμανσης και του πίνακα πνευματικών συστημάτων. Σχήμα 5.4: Συσκευή θέρμανσης αέρα και ποιοτική περιγραφή περιοχής ασφαλούς λειτουργίας. Καθώς η προσέγγιση αυτή διατηρούσε αυξημένη πιθανότητα λειτουργίας εκτός της ασφαλούς περιοχής, όπως περιγράφεται ποιοτικά στο Σχήμα 5.4, ο έλεγχος πίεσης στην είσοδο

51 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων συμπληρώθηκε με έναν ηλεκτρονικό μετρητή παροχής (SFAB series, FESTO GmbH), ο οποίος τροφοδοτούσε με συνεχείς μετρήσεις το λογισμικό ελέγχου της όλης διάταξης. Σύμφωνα με το λογικό διάγραμμα του βρόγχου ελέγχου (Σχήμα 5.5) που ενσωματώθηκε στο συνολικό πρόγραμμα χειρισμού του δοκιμαστηρίου, η αντίστοιχη υπορουτίνα αυτομάτου PID ελέγχου διακόπτεται και ο θερμαντήρας δεν τροφοδοτείται στην περίπτωση που η παροχή αέρα εισόδου της συσκευής θέρμανσης αέρα πέσει για οποιαδήποτε αιτία κάτω από μία κρίσιμη τιμή. Με αυτόν τον τρόπο προλαμβάνεται η υπερθέρμανση της αντίστασης της συσκευής θέρμανσης λόγω ελλιπούς παροχής. Ο χρήστης ενημερώνεται για το συγκεκριμένο συμβάν με ένα μήνυμα και καλείται να επαναφέρει την παροχή αέρα σε αποδεκτά επίπεδα, έπειτα από το οποίο μπορεί πλέον να ενεργοποιήσει εκ νέου την υπορουτίνα θέρμανσης του αέρα. Σχήμα 5.5: Λογικό διάγραμμα αρχικού ελέγχου της παροχής εισόδου στη συσκευή θέρμανσης αέρα. Όπως διακρίνεται στο παραπάνω σχέδιο, για την επαναφορά της ορθής λειτουργίας της διάταξης απαιτείται η ενημέρωση και η παρέμβαση του χρήστη. Με σκοπό την εξάλειψη της ανάγκης αυτή και την αδιατάρακτη πλέον λειτουργία ακολούθησε το επόμενο και τελικό στάδιο εξέλιξης της υπομονάδας θέρμανσης αέρα προς την περαιτέρω αυτοματοποίηση της. Αυτό το στάδιο συμπεριέλαβε την εγκατάσταση και τον έλεγχο ενός συστήματος ρύθμισης ηλεκτρονικά πλέον της ροής εισόδου (MPYE series, FESTO GmbH) σε σειρά με τον προαναφερθέντα

52 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων αισθητήρα ροής αέρα. Με αυτήν την προσθήκη, κατέστη δυνατή η ρύθμιση της παροχής αέρα και η διατήρησή της σε σταθερά επίπεδα μέσω ενός κλειστού βρόγχου PI ελέγχου από το λογισμικό πρόγραμμα στην επιθυμητή τιμή που ορίζει ο χρήστης στην αρχή του εκάστοτε πειράματος. Ως δικλείδα ασφαλείας, διατηρήθηκε η πρόβλεψη διακοπής της παροχής ρεύματος της θερμαντικής αντίστασης, σε περίπτωση που η παροχή αέρα πέσει χαμηλότερα από ένα μία οριακή τιμή. Το Σχήμα 5.6 εκθέτει το λογικό διάγραμμα της εν λόγω προσέγγισης. Σχήμα 5.6: Λογικό διάγραμμα του βελτιωμένου βρόγχου ελέγχου της παροχής αέρα στη συσκευή θέρμανσης αέρα Παρακολούθηση ομαλής λειτουργίας και προστασία υπομονάδας υψηλών θερμοκρασιών Με σκοπό τον περιορισμό της πιθανότητας πρόκλησης βλάβης στον εξοπλισμό του δοκιμαστηρίου ή ενδεχόμενου τραυματισμού του χρήστη σε συνθήκες οριακής ή έκρυθμης λειτουργίας, εισήχθησαν διάφορες διαδικασίες ελέγχου κρίσιμων παραμέτρων της υπομονάδας:

53 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων Η θερμοκρασία της βάσης παρακολουθείται στην κεντρική της περιοχή μέσω θερμοστοιχείου τύπου Κ. Όταν ξεπεραστεί ένα αρχικό όριο θερμοκρασίας ενεργοποιείται μέσω του λογισμικού ελέγχου της όλης διάταξης παροχή αέρα, η οποία διοχετεύεται σε εσωτερικούς αγωγούς της βάσης. Στην περίπτωση που δεν απάγεται πλήρως η θερμορροή απωλειών και ξεπεραστεί ένα δεύτερο όριο θερμοκρασίας, προκαλείται η διακοπή της τροφοδοσίας του φούρνου για να αποφευχθεί πιθανή υπερθέρμανση. Η μετρούμενη θερμοκρασία του αέρα ή του φούρνου κυμαίνεται εντός σαφώς ορισμένων ορίων. Σε περίπτωση που η μέτρηση βγει εκτός αυτών των ορίων διακόπτεται η αντίστοιχη παροχή ώστε να διερευνηθεί η αστοχία. Βασική προϋπόθεση της ασφαλούς λειτουργίας της συσκευής θέρμανσης αέρα αποτελεί η επάρκεια της ροής του αέρα που διοχετεύεται σε αυτήν. Παρόλο που η ροή ρυθμίζεται μέσω κλειστού βρόγχου ελέγχου στην επιθυμητή από το χρήστη τιμή, εκτελείται συνεχής έλεγχος της επάρκειας της και σε περίπτωση που η μετρούμενη ροή είναι ανεπαρκής λόγω π.χ. πτώσης της παροχής του γενικού δικτύου πεπιεσμένου αέρα διακόπτεται η τροφοδοσία ρεύματος της συσκευής. Αυτός ο περαιτέρω έλεγχος διασφαλίζει την απρόσκοπτη λειτουργία της συσκευής θέρμανσης αέρα. Η επιθυμητή και η μετρούμενη τιμή της ροής αέρα ελέγχεται και προβάλλεται αντίστοιχα στην επιφάνεια χρήσης του προγράμματος, όπως και ο έλεγχος επάρκειας της ροής, όπως διευκρινίζεται στο Σχήμα 5.3. Καταγραφή δεδομένων και παραμέτρων λειτουργίας Για την πλήρη παρακολούθηση του δοκιμαστηρίου και τη βέλτιστη αντιμετώπιση έχει επεκταθεί η καταγραφή των δεδομένων λειτουργίας του ώστε να περιλαμβάνει πλέον 2 αρχεία με ως και 10 κρίσιμες παραμέτρους, το πρώτο κατά τη φυσιολογική λειτουργία του ενώ το δεύτερο κατά τα διάφορα στάδια προθέρμανσης, ψύξης ή αναμονής για οποιαδήποτε αιτία. Επίσης, για διευκόλυνση του εντοπισμού και της επισκευής του δοκιμαστηρίου, προβλέπεται η αυτόματη καταγραφή της αιτίας διακοπής του λογισμικού, είτε λόγω φυσιολογικής ολοκλήρωσης της πειραματικής διαδικασίας, πρόωρου τερματισμού ύστερα από παρέμβαση του χρήστη, υπερθέρμανσης ή οποιουδήποτε άλλου σφάλματος. Το Σχήμα 5.7 και το Σχήμα 5.8 παρουσιάζουν έκαστο ένα τυπικό αρχείο καταγραφής υπό τη μορφή διαγράμματος του συνόλου των καταγεγραμμένων παραμέτρων για τις διαδικασίες προθέρμανσης και διεξαγωγής αντιστοίχως ενός πειράματος κρουστικού ελέγχου στους 100 C. Οι παράμετροι των υποπρογραμμάτων PI και PID ελέγχου προσεγγίζονται αρχικά μέσω αντίστοιχης υπορουτίνας του λογισμικού προγράμματος LabVIEW που βασίζεται στους κανόνες της μεθόδου Ziegler-Nichols [74] και εν συνεχεία τροποποιούνται σε μικρότερο βαθμό για τη μείωση του σφάλματος υπερύψωσης. Συγκεκριμένα λόγω έντονης μη γραμμικότητας της

54 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων απόκρισης του συστήματος του ηλεκτρικού φούρνου, προσδιορίστηκαν δύο ομάδες παραμέτρων του PI ελέγχου του, ανάλογα με την τελική επιθυμητή θερμοκρασία που καλείται να φτάσει [75,76] T=100 o C time [s] Coil temp [ C] Force [N] Coil current [A] Net pressure [bar] Inlet pressure [bar] Base temp [ C] Hot air tool temp [ C] Furnace temp [ C] Air flow [lpm] K1 relay state K2 relay state K3 relay state Σχήμα 5.7: Καταγεγραμμένες παράμετροι λειτουργίας κατά την προετοιμασία μιας τυπικής δοκιμής κρουστικού ελέγχου στους 100 C T=100 o C Number of Impacts Coil temp [ C*10] Force [N*100] Coil current [A] Net pressure [bar] Inlet pressure [bar] Base temp [ C*10] Hot air tool temp [ C*100] Furnace temp [ C*100] Air flow [lpm] K3 relay state Σχήμα 5.8: Καταγεγραμμένες παράμετροι λειτουργίας κατά την εκτέλεση μιας τυπικής δοκιμής κρουστικού ελέγχου στους 100 C

55 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων 5.2. Ανάπτυξη διάταξης τοποθέτησης ακριβείας Σκοπός της ανάπτυξης του δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου ήταν η διεξαγωγή πειραμάτων κρουστικού ελέγχου σε συγκεκριμένη θέση επί της επιφάνειάς τους. Ως τυπικά δοκίμια ορίστηκαν κοπτικά πλακίδια σκληρομετάλλου τετραγωνικής ή πολυγωνικής μορφής SPGN σύμφωνα με το ευρωπαϊκό πρότυπο ISO. Κατά τα καθιερωμένα πειράματα κρουστικού ελέγχου, το δοκίμιο συγκρατείται πλευρικά αφήνοντας την επικαλυμμένη επιφάνεια αποβλίττου πλήρως εκτεθειμένη. Σε αυτήν την παραλλαγή, το δοκίμιο προσδένεται σε μια βάση σχεδιασμένη για αυτήν τη λειτουργία επί συστήματος γραμμικών οδηγών 2 καθέτων κατευθύνσεων κίνησης, όπου το δοκίμιο συγκρατείται μέσω της επιφάνειας αποβλίττου εκθέτοντας μία κοπτική ακμή ελεύθερη. Ο βωμός φέρει μία κατακόρυφη επιφάνεια όπου εφάπτεται η πίσω ακμή του δοκιμίου, ώστε να διευκολύνεται η τοποθέτηση του παράλληλα με τον x άξονα του γραμμικού οδηγού, σύμφωνα με το Σχήμα 5.9. Σχήμα 5.9: α) Τοποθέτηση κοπτικού πλακιδίου στο δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης, (β) ενδεικτική λεπτομέρεια σε τομή Προσέγγιση τοποθέτησης μέσω αισθητήρα επαφής Η κύρια επιδίωξη ήταν η διεξαγωγή δοκιμών σε συγκεκριμένη απόσταση από την κοπτική τους ακμή. Αρχικά αυτό ως ζητούμενο προσεγγίστηκε με την κατασκευή ενός ηλεκτρομηχανικού συστήματος προσδιορισμού της σχετικής απόστασης του κατακόρυφου άξονα της κεφαλής του κρουστικού δοκιμαστηρίου, ο οποίος ταυτίζεται με τον άξονα ταλάντωσης της ατράκτου του και τη διεύθυνση άσκησης του επαναλαμβανόμενου φορτίου, ως προς την ακμή του δοκιμίου

56 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων Κατά τον έλεγχο της απόστασης του άξονα του δοκιμαστηρίου από την ακμή του δοκιμίου, ο σφαιρικός εισβολέας σκληρομετάλλου αντικαθίσταται από έναν αξονίσκο διαμέτρου Ø1 mm. Η ακίδα αυτή αποτελεί τμήμα ενός κυκλώματος χαμηλής τάσης συνεχούς ρεύματος 5 V το οποίο τροφοδοτείται από την κάρτα δειγματοληψίας της διάταξης. Το δοκίμιο πλησιάζει μέσω του γραμμικού οδηγού κατά την κατεύθυνση y (σύμφωνα με το Σχήμα 5.9) τον αξονίσκο ώσπου να επέλθει επαφή. Ένας ηλεκτρονόμος (ρελέ) συνδέει τότε ένα βοηθητικό κύκλωμα τροφοδοτεί μία ενδεικτική λυχνία, όπως περιγράφεται στο Σχήμα Σχήμα 5.10: Μηχανική διαδικασία ελέγχου για την ακριβή τοποθέτηση κοπτικού πλακιδίου. H συγκεκριμένη μέθοδος εφαρμόζεται πριν την κάθε πειραματική δοκιμασία, για τον προσδιορισμό της σχετικής απόστασης της κόψης από τον άξονα του δοκιμαστηρίου. Επιπροσθέτως, βρίσκει εφαρμογή κατά την αρχική τοποθέτηση του δοκιμίου, για την επιβεβαίωση της παραλληλότητας της κόψης του με τον x άξονα του γραμμικού οδηγού. Επίσης, παρέχει με τη δυνατότητα εκτίμησης της σχετικής απόστασης εφαρμογής της δύναμης κρούσης από ακμή του δοκιμίου. Όπως διαπιστώθηκε πειραματικά, κατά τη συγκεκριμένη προσέγγιση, η απόσταση των κέντρων των αποτυπωμάτων των πειραματικών δοκιμών παρουσιάζει σημαντική διασπορά ως προς την εκάστοτε ζητούμενη αρχικά τιμή. Αυτό οφείλεται στην εισαγωγή σφαλμάτων ομοαξονικότητας της ακίδας στο άκρο του άξονα του κρουστικού δοκιμαστηρίου με τον άξονα του δοκιμαστηρίου, τα οποία έχουν αρνητική επίδραση στην τελική ακρίβεια και επαναληψιμότητα της μεθόδου, ενώ ταυτόχρονα εισάγουν χρονικές καθυστερήσεις μειώνοντας την πρακτικότητά της και καθιστώντας τη μη φιλική προς το χρήστη. Για αυτόν το λόγο αναπτύχθηκε μια διαφορετική προσέγγιση, όπως περιγράφεται παρακάτω

57 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων Διαδικασία τοποθέτησης μέσω οπτικής παρατήρησης Με σκοπό τη βελτίωση της αρχικής τοποθέτησης του δοκιμίου και τη διεξαγωγή δοκιμασιών κρουστικού ελέγχου σε απόσταση με μικρότερη απόκλιση αναπτύχτηκε ένα σύστημα καταγραφής της θέσης μέσω ενός οπτικού ψηφιακού μικροσκοπίου. Το όργανο που επιλέχτηκε είναι ιδιαίτερα απλό και προσαρμόστηκε στο δοκιμαστήριο μέσω εύκαμπτου μεταλλικού σπειροειδούς σωλήνα. Η εύκαμπτη στήριξη επιτρέπει την τοποθέτηση εντός ενός εκτενούς χώρου και την παρατήρηση μέσω οποιαδήποτε κλίσης και διεύθυνσης, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα Η φωτεινότητα και η εστίαση της καταγεγραμμένης εικόνας ρυθμίζονται χειροκίνητα από ενσωματωμένους ρυθμιστές. Τα χαρακτηριστικά του συγκεκριμένου μικροσκοπίου παρατίθενται στον πίνακα που ακολουθεί (Πίνακας 5.6): Τύπος StarTech USB microscope x400 Ευαισθησία αισθητήρα [Μpixel] 2.1 Ανάλυση βίντεο / φωτογραφιών 160x x1024 Μεγέθυνση 20x-400x Εστίαση Χειροκίνητη Απόσταση εστίασης [mm] 10- άπειρο Mέγιστος ρυθμός αναπαραγωγής καρέ [f/s] 30 Ρύθμιση έκθεσης Αυτόματη Ενσωματωμένη πηγή φωτός 8x LED λευκού φωτός Διασύνδεση USB 1.1/2.0 Τροφοδοσία DC [V] 5 Πίνακας 5.6: Τεχνικά χαρακτηριστικά USB μικροσκοπίου. Σχήμα 5.11: Διάταξη οπτικού ελέγχου για την ακριβή τοποθέτηση δοκιμίου

58 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων Η λειτουργία του μικροσκοπίου ελέγχεται μέσω κατάλληλου λογισμικού που αναπτύχθηκε για αυτόν το σκοπό σε περιβάλλον προγραμματισμού LabVIEW της εταιρίας National Instruments [73]. Το συγκεκριμένο λογισμικό προβάλλει ως video την εικόνα που λαμβάνει το μικροσκόπιο και καταγράφει στιγμιότυπα κατ επιλογή του χρήστη. Το Σχήμα 5.12 παρουσιάζει τις βασικές λειτουργίες και επιλογές που παρέχονται στα πλαίσια του λογισμικού που αναπτύχθηκε. Σχήμα 5.12: Ενδεικτικό στιγμιότυπο λογισμικού αξιολόγησης της τοποθέτησης του δοκιμίου. Κατά τη διαδικασία αξιολόγησης της απόστασης του άξονα του δοκιμαστηρίου κρούσης από την ακμή του δοκιμίου το μικροσκόπιο τοποθετείται από την πλαϊνή πλευρά του δοκιμίου με τέτοιον τρόπο ώστε η διεύθυνση παρατήρησης του να έχει σχεδόν παράλληλη κλίση ως προς την ανώτερη επιφάνεια του δοκιμίου. Αυτό γίνεται ώστε η προβολή του πάχους του δοκιμίου στο δισδιάστατο επίπεδο της φωτογραφίας να διαφέρει αμελητέα από την ακριβή τιμή του πάχους του. Επίσης, για διευκόλυνση της μετέπειτα διαδικασίας, η περιστροφή του μικροσκοπίου γύρω από τον άξονα παρατήρησης του πρέπει να είναι μηδενική, δηλαδή το δοκίμιο να εμφανίζεται εδρασμένο σε οριζόντια θέση και ο άξονας του δοκιμαστηρίου κατακόρυφος κατά την παρατήρηση τους. Το επόμενο στάδιο της διαδικασίας αξιολόγησης περιλαμβάνει την εισαγωγή τριών κλιμάκων επί του εκάστοτε στιγμιότυπου, δύο οριζοντίων και μίας κατακόρυφης, οι θέσεις εντός της εικόνας και οι διαστάσεις των οποίων ορίζονται πλήρως από το χρήστη. Η πρώτη οριζόντια κλίμακα (με το ενδεικτικό κόκκινο χρώμα) χρησιμοποιείται για τον ορισμό του άξονα του δοκιμαστηρίου κρούσης μέσω προσέγγισης μιας χορδής της σφαίρας κρούσης. Η δεύτερη (πράσινη) προσδιορίζει την απόσταση μεταξύ του άξονα του δοκιμαστηρίου και της ακμής του

59 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων πλακιδίου. Η οριζόντια συντεταγμένη της αρχής της δεύτερης οριζόντιας κλίμακας ορίζεται βάσει του μέσου της πρώτης κλίμακας, ώστε να συμπίπτει πλήρως με τον άξονα του δοκιμαστηρίου. Η τρίτη, κατακόρυφη κλίμακα (με κόκκινη απόχρωση) τοποθετείται στην προβολή του πάχους του δοκιμίου επί του επιπέδου της φωτογραφίας, το οποίο θεωρείται γνωστό και χρησιμοποιείται για τη βαθμονόμηση της δεύτερης οριζόντιας κλίμακας, λόγω του ότι ο βαθμός μεγέθυνσης της εικόνας μέσω του μικροσκοπίου ορίζεται χειροκίνητα, μεταβάλλεται γραμμικά χωρίς να παρέχει κάποια ένδειξη στο χρήστη και άρα, απαιτείται κάποιο γνωστό μήκος αναφοράς εντός της φωτογραφίας για την αναγωγή των υπολοίπων αποστάσεων. Καθώς το μικροσκόπιο παραμένει σε σταθερή θέση, με διαδοχικές ρυθμίσεις του άξονα y του γραμμικού οδηγού μεταβάλλεται η σχετική θέση του δοκιμίου ως προς τις σταθερές κλίμακες που έχουν εισαχθεί και τον άξονα του δοκιμαστηρίου. Μέσω απλής οπτικής σύγκρισης ελέγχεται και καταγράφεται η τελική απόσταση μεταξύ κόψης και εφαρμογής του φορτίου κατά την κρουστική δοκιμασία. Σχήμα 5.13: Τυπική γεωμετρία δοκιμίου και γωνία παρατήρησης κατά τη διαδικασία τοποθέτησης του. Η προσέγγιση της απόστασης της κοπτικής ακμής μέσω οπτικής παρατήρησης εμπεριέχει ποσοστό σφάλματος τοποθέτησης, το οποίο αποδίδεται μερικώς στη χρήση του γνωστού πάχους δοκιμίου ως μήκος αναφοράς και την παρατήρηση του υπό γωνία και σε μεγαλύτερο βαθμό στην ανάλυση της λαμβανόμενης εικόνας και στο ίδιο το πλάτος των γραμμών των κλιμάκων βαθμονόμησης, όπως εξηγείται στο Σχήμα Συγκεκριμένα, καθώς η γωνία παρατήρησης περιορίζεται κάτω των 7 μοιρών από το οριζόντιο επίπεδο της επιφάνειας αποβλίττου, το σχετικό σφάλμα δεν ξεπερνάει το 3%. Αντιστοίχως, το πλάτος των γραμμών της κλίμακας τοποθέτησης εισάγει σφάλμα της τάξεως των ±10 μm για την τυπική περίπτωση της ρύθμισης της επιθυμητής απόστασης των 100 μm, καθώς το πλάτος τους ανέρχεται μόνο σε 1 εικονοστοιχείο (pixel). Αυτό το σφάλμα θεωρείται αμελητέο και η ακριβής απόσταση του εκάστοτε αποτυπώματος από την κοπτική ακμή επιβεβαιώνεται μέσω μετρήσεων οπτικής ή συνεστιακής μικροσκοπίας, κατά το Σχήμα

60 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων Σχήμα 5.14: Αξιολόγηση τυπικών αποτυπωμάτων κρουστικής διαδικασίας Aνάπτυξη ιδιοσυσκευής συγκράτησης κυλινδρικών τεμαχίων Στα πλαίσια της πειραματικής προσέγγισης των ιδιοτήτων κόπωσης και συνάφειας επικαλύψεων επί τελικών τεμαχίων και στοιχείων μηχανών μέσω του δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επεκτάθηκε το πεδίο εφαρμογής της δοκιμασίας σε PVD επικαλυμμένους δακτυλίους εδράνων ολισθήσεως. Καθώς τα τυπικά, προκαθορισμένα δοκίμια που αποτελούν και το κύριο σώμα του πεδίου εφαρμογής της διάταξης κρουστικού ελέγχου είναι ένθετα κοπτικά πλακίδια, ή τεμάχια αντίστοιχα απλής γεωμετρίας, ήταν απαραίτητη η ανάπτυξη κατάλληλης μεθόδου συγκράτησης της νέας γεωμετρίας και αντίστοιχης προσαρμογής του δοκιμαστηρίου. Οι απαιτήσεις που ορίστηκαν για τη συγκράτηση των κυλινδρικών δοκιμίων ήταν οι ακόλουθες: Υψηλή στιβαρότητα συγκράτησης Δυνατότητα εκτέλεσης δοκιμών με φορτίο υπό συγκεκριμένη κλίση ως προς τον κατακόρυφο άξονα Πρακτικότητα προς το χρήστη κατά τη διαδικασία τοποθέτησης Λόγω της έντονα δυναμικής φύσης της δοκιμής, η στιβαρή συγκράτηση και η αποτροπή της οποιαδήποτε κίνησης ή περιστροφής των κυλινδρικών δοκιμίων κατά τη διάρκεια της δοκιμασίας αποτέλεσε την κύρια προτεραιότητα που ελήφθη υπόψη. Επιπλέον, οι πειραματικές δοκιμές χαρακτηρισμού των εκάστοτε επιφανειακών επικαλύψεων περιέλαβαν τόσο κάθετες δοκιμασίες για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων κόπωσης του επιφανειακού στρώματος, όσο και υπό κλίση για τον υπολογισμό της συνάφειας του με το υπόστρωμα, σύμφωνα με όσα περιγράφονται στο κεφάλαιο 2.6 της στάθμης γνώσεων. Η εκτέλεση δοκιμών με φορτίο υπό συγκεκριμένη γωνία ως προς τον κατακόρυφο άξονα του δοκιμαστηρίου επιτεύχθηκε με τη δυνατότητα μεταφοράς του δοκιμίου αξονικά και ακτινικά πάνω στο επίπεδο της βάσης του δοκιμαστηρίου. Η διαδικασία τοποθέτησης ολοκληρώνεται με την ασφάλιση του δοκιμίου στην εκάστοτε επιθυμητή θέση κάτω από τη σταθερή κεφαλή του δοκιμαστηρίου

61 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων Ανάλογα με την επιφάνεια όπου εφαρμόζεται η κρουστική δοκιμασία διακρίνονται δύο περιπτώσεις. Η πρώτη αφορά την εφαρμογή του φορτίου στην επικαλυμμένη εξωτερική κυρτή επιφάνεια του εσωτερικού δακτυλίου ενώ η δεύτερη αντιμετωπίζει τη φόρτιση επί της επικαλυμμένης εσωτερικής κοίλης επιφάνειας του εξωτερικού δακτυλίου του εδράνου. Η αρχική προσέγγιση της συγκράτησης της εκάστοτε περίπτωσης παρουσιάζεται στο Σχήμα 5.15, η οποία αξιοποιήθηκε για μία σειρά πειραμάτων επί επικαλυμμένων βελονοειδών εδράνων κύλισης [12,77]. Σχήμα 5.15: Αρχική διάταξη συγκράτησης εντός του δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης για διερεύνηση στην επικαλυμμένη εξωτερική και εξωτερική κυλινδρική επιφάνεια δακτυλίου εδράνου. Αντίστοιχα τροποποιήθηκε το άκρο του άξονα του δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου. Συγκεκριμένα, με σκοπό τη διεξαγωγή πειραματικών δοκιμών στην επικαλυμμένη εσωτερική επιφάνεια των εξωτερικών δακτυλίων κατασκευάστηκε ένα χαλύβδινο πλαίσιο, το οποίο προσαρμόζεται στο άκρο του δοκιμαστηρίου και μετατοπίζει το σημείο πρόσδεσης του σφαιρικού εισβολέα εντός του δακτυλίου. Η διαστασιολόγηση του πλαισίου έγινε βάσει υπολογισμών, ώστε η μέγιστη ελαστική παραμόρφωση του να είναι αμελητέα κατά την κάθετη κρουστική δοκιμασία, καθώς τα ασκούμενα φορτία κατά την πλάγια κρουστική δοκιμασία έχουν σαφώς μικρότερη ένταση. Μετά την επιτυχημένη εκτέλεση δοκιμών επί επικαλυμμένων δακτυλίων εδράνων και με σκοπό τη βελτίωση της ευελιξίας της ιδιοσυσκευής ως προς τη συγκράτηση κυλινδρικών δοκιμίων διαφόρων μεγεθών με την ίδια διάταξη ακολούθησε η γενικότερη προσέγγιση συγκράτησης που παρουσιάζεται στο Σχήμα Οι επικαλυμμένοι δακτύλιοι στηρίζονται από ένα μεταλλικό στοιχείο που φέρει κατάλληλη εγκοπή μορφής V, μεταφέρονται κατά μήκος του άξονα Χ και ασφαλίζονται στην εκάστοτε επιθυμητή θέση, όπως διακρίνεται στο ίδιο σχήμα. Σε περίπτωση που απαιτείται αξονική μετακίνηση του δοκιμίου κατά τον άξονα Y, μεταφέρεται αντίστοιχα ολόκληρο το σύστημα

62 5. Εξέλιξη δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου επικαλύψεων Σχήμα 5.16: Τελική διάταξη συγκράτησης επικαλυμμένων δακτυλίων και εκμετάλλευση γεωμετρικών συσχετισμών για την εκτέλεση κάθετης και πλάγιας κρουστικής δοκιμασίας. Κατά την εκτέλεση καθέτων κρουστικών δοκιμών ο άξονας της κεφαλής του δοκιμαστηρίου συμπίπτει τέμνει το νοητό κέντρο του δακτυλίου. Αντίστοιχα, η εκτέλεση πλαγίων κρουστικών δοκιμασιών επιτυγχάνεται με την ακτινική μετατόπιση του δοκιμίου σε συγκεκριμένη απόσταση L [mm] ανάλογα με την επιθυμητή γωνία πρόσκρουσης θ σύμφωνα με τη σχέση: όπου R o η ακτίνα της εκάστοτε επικαλυμμένης επιφάνειας κατά περίπτωση

63 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων Η βασική ιδέα πάνω στην οποία στηρίχθηκε ο σχεδιασμός της νέας διάταξης ήταν η πειραματική αναπαραγωγή των συνθηκών πίεσης και θερμοκρασίας που αναπτύσσονται στο σύστημα επικάλυψης και υποστρώματος κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου κατά τη διάρκεια διακοπτόμενων κατεργασιών αφαίρεσης υλικού. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στην πειραματική προσέγγιση της θερμικής επίδρασης των ακραίων συνθηκών λειτουργίας στη μεταφορά στοιχείων των εκατέρωθεν τεμαχίων μέσω διάχυσης εντός του κοπτικού πλακιδίου και διαμέσου των ορίων επικάλυψης - υποστρώματος και επικάλυψης κατεργαζόμενου υλικού σε συνθήκες ελεγχόμενης ατμόσφαιρας. Όπως περιγράφεται στο Σχήμα 6.1, η διάταξη απαρτίζεται από τρία βασικά τμήματα: τη διάταξη συμπίεσης θέρμανσης, τον πίνακα ελέγχου και παρελκόμενο ηλεκτρομηχανολογικό εξοπλισμό και τη μονάδα ελέγχου μέσω Η/Υ. Σχήμα 6.1: Γενική εποπτεία διάταξης συμπίεσης και θέρμανσης επικαλυμμένων δοκιμίων

64 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων 6.1. Διάταξη συμπίεσης επικαλύψεων σε υψηλές θερμοκρασίες Η διάταξη συμπίεσης θέρμανσης έχει ως σκοπό τη θέρμανση επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων υπό συνθήκες περιοδικής συμπίεσης σε επαφή με συνήθη υλικά που χρησιμοποιούνται κατά τον πειραματικό προσδιορισμό της απόδοσης ένθετων επικαλυμμένων πλακιδίων σε κοπή. Κατά τη διάρκεια ενός πειράματος εφαρμόζεται συγκεκριμένη δύναμη στην επιφάνεια αποβλίττου του κοπτικού πλακιδίου μέσω πνευματικού εμβόλου. Η ασκούμενη δύναμη αυξάνεται σταδιακά ως την επιθυμητή τιμή και διατηρείται για τη συνολική διάρκεια της δοκιμής ενώ η επαφή αφαιρείται περιοδικά, οδηγώντας στο διαχωρισμό των δύο επιφανειών. Η διάταξη συμπίεσης-θέρμανσης αποτελείται κυρίως από ένα πνευματικό έμβολο, το φούρνο θέρμανσης, το μετατροπέα δύναμης (δυναμοκυψέλη) και το σύστημα καθαρισμού και ελέγχου της ατμόσφαιρας εντός του θαλάμου plexiglas, εντός του οποίου τοποθετούνται όλα τα προηγούμενα τμήματα. Τα πιο σημαντικά μέρη του μηχανικού τμήματος περιλαμβάνονται στο Σχήμα 6.2. Σχήμα 6.2: Μηχανικό τμήμα πειραματικής διάταξης συμπίεσης και θέρμανσης επικαλυμμένων δοκιμίων ενδεικτικά, δίχως τμήμα της θερμικής μόνωσης για εποπτικούς λόγους

65 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων Πνευματικό έμβολο Η δύναμη που ασκείται στην επιφάνεια του δοκιμίου προέρχεται από ένα πνευματικό έμβολο της εταιρείας FESTO GMBH, τα χαρακτηριστικά του οποίου παρατίθενται στον παρακάτω πίνακα: Τύπος πνευματικού εμβόλου DNGZS PPV-A Υλικό κελύφους χυτό αλουμίνιο Υλικό εμβόλου και δοχείου πίεσης χάλυβας υψηλής κραμάτωσης Ονομαστική διαδρομή [mm] 200 Διάμετρος εμβόλου [mm] 320 ξηρός, φιλτραρισμένος αέρας υπό Μέσο λειτουργίας πίεση Πίεση λειτουργίας [bar] Θερμοκρασία λειτουργίας [ C] Είδος λειτουργίας διπλής δράσης Θεωρητική δύναμη υπό πίεση 6 bar, επιστροφή [Ν] Θεωρητική δύναμη υπό πίεση 6 bar, προώθηση [Ν] Πίνακας 6.1: Τεχνικά χαρακτηριστικά πνευματικού εμβόλου. Η επιλογή του συγκεκριμένου μηχανισμού έγινε βάσει του υπολογισμού των ισοδυνάμων τάσεων που αναπτύσσονται εντός του στρώματος της επικάλυψης κοπτικών πλακιδίων κατά τη διάρκεια των τυπικών κατεργασιών κοπής, που ανέρχονται γενικά ως τα 1,5 GPa. Αυτή η τιμή θεωρήθηκε ως η μέγιστη επιθυμητή τιμή πίεσης και λαμβάνεται άνετα μέσω του συγκεκριμένου εμβόλου, διαμορφώνοντας κατάλληλα το αντίστοιχο μέγεθος της τελικής διαμέτρου του εμβόλου. Φούρνος θέρμανσης Για τις ανάγκες θέρμανσης του δοκιμίου έγινε χρήση συμβατικού φούρνου θέρμανσης. Ο φούρνος που επιλέχθηκε έχει σώμα κυλινδρικής μορφής από κεραμικό μονωτικό υλικό ενώ στο εσωτερικό του έχει τοποθετηθεί θερμαντική αντίσταση σε μορφή σπείρας. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργείται κατά μήκος του άξονα της αντίστασης ένα έντονο, σταθερό θερμοκρασιακό πεδίο, για την παρακολούθηση του οποίου προβλέπεται η χρήση θερμοστοιχείου τύπου Κ. Ο Πίνακας 6.2 περιλαμβάνει τα ηλεκτρικά και μηχανικά χαρακτηριστικά του φούρνου και της αντίστασής του. Η στήριξη του φούρνου θέρμανσης γίνεται επί μιας ορθογώνιας βάσης από χάλυβα, μεταξύ της οποίας και του σώματος του φούρνου έχει τοποθετηθεί κεραμική μόνωση. Παράλληλα, η θερμοκρασία της συγκεκριμένης περιοχής παρακολουθείται μέσω αντίστοιχου θερμοστοιχείου

66 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων και διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα μέσω συστήματος εσωτερικών αγωγών κυκλοφορίας νερού θερμοκρασίας δικτύου. Η χαλύβδινη βάση συγκρατείται επί της κεντρικής βάσης της διάταξης, ενώ μεταξύ των δύο παρεμβάλλεται επιπλέον κεραμική μόνωση. Τύπος Superthal SMU Υλικό μόνωσης φούρνου θέρμανσης Κεραμοβάμβακας Εξωτερική διάμετρος [mm] 240 Eσωτερική διάμετρος [mm] 40 Ύψος [mm] 43 Υλικό αντίστασης Kanthal Super 1800 Διάμετρος σύρματος αντίστασης [mm] 3 Μήκος αντίστασης [mm] 29 Βήμα σπείρας αντίστασης [mm] 15 Μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας [ C] 1500 Μέγιστη ένταση λειτουργίας [Α] 46.3 Iσχύς [W] 244 Πίνακας 6.2: Τεχνικά χαρακτηριστικά συμβατικού φούρνου θέρμανσης. Το τροφοδοτικό του φούρνου παρέχει την απαιτούμενη ισχύ για τη λειτουργία του, η οποία ανέρχεται σε 244 W. Οι ακροδέκτες του φούρνου συνδέονται με το τροφοδοτικό του μέσω αγωγών διατομής 10 mm 2, ούτως ώστε να αποφεύγεται η υπερθέρμανση τους από το ισχυρό ρεύμα εντάσεως 46 Α που τους διαρρέει. Αισθητήρας δύναμης Η μέτρηση της δύναμης που ασκείται διαμέσου του εμβόλου στο δοκίμιο μετράται μέσω της δυναμοκυψέλης U93 της εταιρίας HBM. Αποτελεί ένα στιβαρό στοιχείο υψηλής αξιοπιστίας ενώ βασίζεται στην ακριβή μέτρηση της μεταβολής της εσωτερικής αντίστασης μέσω γέφυρας αντιστάσεων και φέρει τα παρακάτω χαρακτηριστικά: Τύπος ΗΒΜ U93 Ονομαστική δύναμη [kν] 50 Τύπος φορτίου Εφελκυστικό / Θλιπτικό Τύπος φόρτισης Στατική / Δυναμική Μέγιστο φορτίο λειτουργίας [%] 180 Όριο ακτινικού φορτίου [%] 40 Ονομαστική ευαισθησία [mv/v] 1 Ονομαστική θερμοκρασία λειτουργίας [ C] Επίπεδο προστασίας ΙP 67 Βάρος [kg] Υλικό περιβλήματος Πίνακας 6.3: Τεχνικά χαρακτηριστικά δυναμοκυψέλης Ανοξείδωτος χάλυβας

67 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων Το σήμα της δυναμοκυψέλης ενισχύεται κατάλληλα μέσω καταλλήλου ενισχυτή της ίδιας εταιρίας, τύπου RM 4220 και ακριβείας 0,1%. Έλεγχος ατμόσφαιρας θαλάμου Κατά τη διάρκεια των πειραματικών διαδικασιών αναπτύσσονται τοπικά υψηλές θερμοκρασίες, επιπέδου στο οποίο ενεργοποιούνται φαινόμενα ανάπτυξης επιφανειακού στρώματος οξειδίων επί των δοκιμίων. Για την επιβράδυνση ή/και ελαχιστοποίηση αυτού του μηχανισμού και της επίδρασης του επί της πειραματικής διαδικασίας, προέκυψε η ανάγκη παρακολούθησης και ελέγχου των επιπέδων οξυγόνου εντός του θαλάμου της διάταξης. Αυτό πραγματοποιήθηκε μέσω της τοποθέτησης των κρίσιμων στοιχείων της διάταξης εντός του αεροστεγούς θαλάμου plexiglas, με τη δυνατότητα της συνεχούς καταγραφής της περιεκτικότητας του οξυγόνου εντός του θαλάμου μέσω ηλεκτροχημικού αισθητήρα της εταιρίας ExTox. Ο Πίνακας 6.4 περιέχει τα χαρακτηριστικά του επιλεγμένου αισθητήρα. Τύπος ExTox Sens O2-25-EC Ανιχνευόμενο αέριο Ο 2 Εύρος μέτρησης [% v/v] Μέθοδος μέτρησης Ηλεκτροχημικό στοιχείο Θερμοκρασία λειτουργίας [ C] Σχετική υγρασία περιβάλλοντος Πίεση λειτουργίας [hpa] Χρόνος απόκρισης [sec] 30 Τροφοδοσία DC [V] 24±6 Ηλεκτρική έξοδος [ma] Κατανάλωση [ma, W] 40, 1 Επίπεδο προστασίας* ΙP 54 Βάρος [kg] ~0.5 Υλικό περιβλήματος *εξαιρείται η είσοδος του αισθητήρα αερίου Χυτό αλουμίνιο Πίνακας 6.4: Τεχνικά χαρακτηριστικά αισθητήρα περιεκτικότητας οξυγόνου. Με σκοπό τη βελτίωση της αποδοτικότητας της διαδικασίας απομάκρυνσης / ελέγχου του οξυγόνου και της υγρασίας εντός του θαλάμου της πειραματικής διάταξης επιλέχθηκε η χρήση αντλίας κενού. Η επιλογή του κατάλληλου μηχανισμού έγινε βάσει τόσο του συνδυασμού των δυνατοτήτων του παροχής και τελικής δυνατής υποπίεσης όσο και του μικρού όγκου του και ελάχιστων απαιτήσεων πρόσθετης λίπανσης ή τακτικής συντήρησης. Ο Πίνακας 6.5 περιλαμβάνει τα κύρια χαρακτηριστικά της επιλεγμένης αντλίας κενού

68 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων Σχήμα 6.3: Ηλεκτρικός και πνευματικός πίνακας πειραματικής διάταξης και συμπληρωματικές συσκευές. Τύπος πτερυγιοφόρα αντλία κενού ξηρού τύπου Μοντέλο Arica JV 8V Παροχή [l/min] 100 Ελάχιστη σχετική πίεση [mbar] -890 Ισχύς λειτουργίας [W] 530 Τάση λειτουργίας [V] 230 Στάθμη θορύβου [db] 60 Βάρος [Kg] 11.5 Διαστάσεις [mm] 180 x 185 x 245 Στροφές λειτουργίας [rpm] 1400 Πίνακας 6.5: Τεχνικά χαρακτηριστικά αντλίας κενού. Η μέτρηση της πίεσης εντός του θαλάμου της διάταξης παρακολουθείται συνεχώς μέσω κατάλληλου ψηφιακού μανομέτρου της εταιρείας FESTO GMBH. Ο συγκεκριμένος αισθητήρας στηρίζεται στη μεταβολή της ηλεκτρικής του αντίστασης ανάλογα με την πίεση που εξασκείται

69 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων πάνω του και προσαρμόζεται απευθείας στο τοίχωμα του θαλάμου, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 6.3. Τα χαρακτηριστικά του επιλεγμένου αισθητήρα περιγράφονται παρακάτω (Πίνακας 6.6). Τύπος SPTW-B2R-G14-VD-M12 Εύρος μέτρησης [bar] Μέσο λειτουργίας Μέθοδος μέτρησης ξηρός, φιλτραρισμένος αέρας, αέρια ή ρευστά μέσα Αισθητήρας πίεσης με πιεζοαντίσταση Ονομαστική θερμοκρασία λειτουργίας [ C] Ακρίβεια μέτρησης [%] 1 Αναλογική ηλεκτρική έξοδος [V] Τροφοδοσία DC [V] Επίπεδο προστασίας ΙP 67 Βάρος [gr] 80 Υλικό περιβλήματος Πίνακας 6.6: Τεχνικά χαρακτηριστικά αισθητήρα πίεσης. Χάλυβας υψηλής κραμάτωσης Λοιπά μηχανικά στοιχεία Ο χαλύβδινος σκελετός της διάταξης σχεδιάστηκε με γνώμονα την αντοχή υπό το μέγιστο φορτίο που παράγεται από το πνευματικό έμβολο. Αποτελείται από 2 ορθοστάτες και μία στιβαρή βάση. Οι ορθοστάτες συγκρατούν το πνευματικό έμβολο μέσω 4 κοχλιών Μ24 ενώ έχει γίνει πρόβλεψη επιπλέον θέσεων συγκράτησης για ως πρόβλεψη μελλοντικών απαιτήσεων. Βάσει υπολογισμών, η μέση ισοδύναμη τάση κατά von Mises υπό πλήρες φορτίο ανέρχεται στα 11 ΜPa ενώ η μέγιστη εντοπίζεται σε ενδιάμεση οπή και φτάνει την τιμή των 38 MPa, σαφώς εντός της ελαστικής περιοχής του χάλυβα. Έτσι περιορίζεται η τιμή της μέγιστης ελαστικής παραμόρφωσης εντός της τάξεως των 8 μm. Η σχεδίαση της συγκράτησης των δοκιμίων και της έγινε σύμφωνα με τις εξής απαιτήσεις: Υψηλή στιβαρότητα κατασκευής Αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες Ελαχιστοποίηση των θερμικών απωλειών Απαγωγή πλεονάζουσας θερμορροής και προστασία εξοπλισμού Ευκολία αλλαγής του άκρου του εμβόλου με κυλινδρικά τεμάχια διαφόρων υλικών. Ισχυρή συγκράτηση επικαλυμμένου δοκιμίου Οι προαναφερθείσες απαιτήσεις καλύπτονται πλήρως από την ακόλουθη σχεδίαση, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 6.4, το Σχήμα 6.5 και το Σχήμα

70 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων Το πνευματικό έμβολο καταλήγει σε σπείρωμα Μ48, στο οποίο προσαρμόζεται η προαναφερθείσα δυναμοκυψέλη για την άμεση μέτρηση της ασκούμενης δύναμης. Σχήμα 6.4: Σχηματική απεικόνιση διαμόρφωσης του άκρου του πνευματικού εμβόλου. Για τον περιορισμό της μετάδοσης θερμότητας με επαφή μέσω του εμβόλου και της βάσης του δοκιμίου, τοποθετήθηκαν ενδιάμεσα μονωτικά τμήματα από ειδικό κεραμικό υλικό με χαμηλό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας αλλά μεγάλες αντοχή σε μηχανική συμπίεση, καθώς και χρησιμοποιήθηκαν κεραμικοί κοχλίες σε κρίσιμες θέσεις Η απομένουσα θερμορροή κατά μήκος του άξονα του φούρνου απομακρύνεται μέσω υδρόψυκτου συστήματος απαγωγής θερμότητας, προστατεύοντας τη θερμικά ευαίσθητη δυναμοκυψέλη. Ο φούρνος και το στέλεχος συγκράτησης του δοκιμίου τοποθετούνται επί χαλύβδινης πλάκας (Σχήμα 6.5), η θερμοκρασία της οποίας παρακολουθείται με αντίστοιχο θερμοστοιχείο τύπου Κ, πλησίον της βάσης του στελέχους συγκράτησης. H θερμοκρασία της βάσης διατηρείται σε επαρκώς χαμηλά επίπεδα μέσω της απαγωγής της επιπλέον θερμότητας από υδρόψυκτο σύστημα

71 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων Με σκοπό την ελαχιστοποίηση των θερμικών απωλειών της διάταξης, το κρίσιμο τμήμα της καλύφθηκε με επιπλέον στρώματα εύκαμπτης κεραμικής μόνωσης με όριο μέγιστης θερμοκρασίας συνεχούς λειτουργίας τους 800 C (κεραμική κουβέρτα), περιορίζοντας τη μετάδοση θερμότητας προς το περιβάλλον στο ελάχιστο δυνατό. (Για λόγους καλύτερης απεικόνισης των υποκείμενων εξαρτημάτων, τα επιπλέον στρώματα εύκαμπτης κεραμικής μόνωσης δεν περιλαμβάνονται στα συγκεκριμένα σχήματα). Στο αποσπώμενο άκρο του εμβόλου τοποθετούνται κύλινδροι από 42CrMo4V, το οποίο ως υλικό βρίσκει ευρεία εφαρμογή σε δοκιμασίες αξιολόγησης απόδοσης κοπής ένθετων κοπτικών πλακιδίων. Η μέγιστη διάμετρος των εν λόγω τεμαχίων ανέρχεται στα 5 mm. Το σύνολο των μεταλλικών εξαρτημάτων που εκτίθενται σε υψηλές θερμοκρασίες κατασκευάστηκαν από ανοξείδωτο πυρίμαχο κράμα 310 ενώ τα υπόλοιπα από χάλυβα κατασκευών C45 με επιφανειακή προστατευτική επίστρωση. Σχήμα 6.5: Σχηματική απεικόνιση βάσης στήριξης της πειραματικής διάταξης. Το στέλεχος στήριξης του δοκιμίου έχει διάμετρο Ø30 mm και οι μέσες μέγιστες τάσεις που αναπτύσσονται υπό το μέγιστο φορτίο συμπίεσης ανέρχονται στα 71 MPa, εντός της ελαστικής περιοχής του συγκεκριμένου κράματος. Η πρόσδεση του δοκιμίου γίνεται μέσω της σύσφιξής του με δακτύλιο συγκράτησης (Σχήμα 6.6) και υπάρχει ειδική διαμόρφωση όπου τοποθετείται θερμοστοιχείο παρακολούθησης της θερμοκρασίας του δοκιμίου. Η συγκράτηση του στην πλάκα ψύξης γίνεται μέσω κοχλιοσύνδεσης Μ8, ενώ παρεμβάλλεται κεραμική μόνωση. Η παροχή του Αr αερίου προθερμαίνεται και εισάγεται απευθείας στο θάλαμο θέρμανσης, διαμέσου των διαφόρων στρωμάτων εύκαμπτης κεραμικής μόνωσης μεταξύ του φούρνου και της βάσης ψύξης

72 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων Η βάση και η μέθοδος συγκράτησης του δοκιμίου σχεδιάστηκε για τη χρήση τυπικών ένθετων κοπτικών πλακιδίων τετραγωνικής μορφής σε συμφωνία με το πρότυπο SPGN ενώ οι διαστάσεις των δοκιμίων, που δύναται να χρησιμοποιηθούν δίχως την ανάγκη τροποποιήσεων των στοιχείων συγκράτησης, κυμαίνονται κατά προσέγγιση από 9x9x1 ως 13x28x5 mm 3. Σχήμα 6.6: Λεπτομέρεια τρόπου συγκράτησης του δοκιμίου. Τέλος, ο θάλαμος plexiglas εντός του οποίου τοποθετήθηκαν αρκετά από τα προαναφερθέντα εξαρτήματα έχει ορθογώνιο παραλληλεπίπεδο σχήμα με εσωτερικές διαστάσεις 700 x 700 x 1315 mm (πλάτος x μήκος x ύψος) με πάχος τοιχωμάτων 10 mm. Η πρόσβαση στο εσωτερικό του θαλάμου πραγματοποιείται μέσω τετραγωνικής πόρτας διαστάσεων στην όψη του θαλάμου 550 x 550 mm. Επίσης, με σκοπό την πρόσβαση στο εσωτερικό του θαλάμου χωρίς να απαιτείται άνοιγμα της πόρτας, που θα επέφερε αλλοίωση στην καθαρότητα του θαλάμου ως προς την περιεκτικότητα οξυγόνου, διαμορφώθηκε κατάλληλα η πρόσοψη του δοκιμαστηρίου και τοποθετήθηκε ένα γάντι νεοπρένιου με εξαιρετική χημική και μηχανική αντοχή, συνολικού μήκους 800 mm. Πίνακας ηλεκτρολογικών εξαρτημάτων Τα ηλεκτρολογικά, ηλεκτρονικά και πνευματικά εξαρτήματα που είναι απαραίτητα για τη λειτουργία της πειραματικής διάταξης έχουν διαχωριστεί και τοποθετηθεί εντός δύο υποπινάκων, για λόγους ασφαλούς λειτουργίας. Στον ανώτερο περιέχονται όλα τα ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά εξαρτήματα και συσκευές ενώ στον κατώτερο το σύνολο των πνευματικών εξαρτημάτων. Οι δύο υποπίνακες επικοινωνούν για τη δίοδο των απαραίτητων αγωγών τροφοδοσίας και των αγωγών των εκάστοτε σημάτων ελέγχου. Κατά το σχεδιασμό και τη συναρμολόγηση του ηλεκτρολογικού πίνακα ελήφθη υπόψη η ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα των επιμέρους στοιχείων με σκοπό την προστασία ευαίσθητων

73 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων συσκευών και σημάτων από παρεμβολές. Προς αυτήν την κατεύθυνση, οι αγωγοί τροφοδοσίας που διαρρέονται από ρεύμα ικανής έντασης διαχωρίστηκαν από τα καλώδια μεταφοράς αναλογικών και ψηφιακών σημάτων, όπως από τους αγωγούς σύνδεσης των θερμοστοιχείων ενώ χρησιμοποιήθηκαν επίσης ειδικά καλώδια μεταφοράς των κρίσιμων αναλογικών σημάτων Σχήμα 6.7: Ηλεκτρικός και πνευματικός πίνακας πειραματικής διάταξης. με προστασία από ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (shielding). Επίσης, η χωροθέτηση των συσκευών δειγματοληψίας και επεξεργασίας των κρίσιμων αναλογικών σημάτων λειτουργίας έγινε σε απόσταση από αντίστοιχες που ενδεχομένως προξενούν ηλεκτρομαγνητικά πεδία και παρεμβολές κατά τη λειτουργία τους. Ο πίνακας στο σύνολό του πληρεί τις προδιαγραφές των ευρωπαϊκών προτύπων ασφαλείας 73/23/EEC, 89/336/EEC EN και EN , τα οποία ήδη έχουν παρουσιαστεί (Πίνακας 5.3). Όπως παρουσιάζεται στο αριστερό τμήμα από το Σχήμα 6.7, τα βασικά στοιχεία τροφοδοσίας και ελέγχου των ηλεκτρονικών και ηλεκτρολογικών εξαρτημάτων είναι τα ακόλουθα: Γενικός διακόπτης πίνακα Παροχές τροφοδοσίας 220 V AC Τροφοδοτικό 24 V DC Μετατροπέας / ενισχυτής σήματος δυναμοκυψέλης Κάρτα τερματισμού σημάτων Κάρτα δειγματοληψίας θερμοκρασιών Μετασχηματιστής τάσης παροχής φούρνου

74 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων Ηλεκτρονόμοι (ρελέ) τύπου solid state Στο δεξί τμήμα του ίδιου σχήματος περιγράφεται ο υποπίνακας των πνευματικών εξαρτημάτων που περιλαμβάνει αντίστοιχα όλα τα απαραίτητα εξαρτήματα για την προετοιμασία και παροχή του πνευματικού εμβόλου με πεπιεσμένο, ξηρό αέρα: Κεντρική βαλβίδα παροχής και φιλτρορυθμιστής με ενδεικτικό μανόμετρο Ηλεκτρονική αναλογική βαλβίδα Ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα Η κύρια τροφοδοσία των ηλεκτρολογικών εξαρτημάτων έγινε μέσω του μόνιμου δικτύου ηλεκτροδότησης μονοφασικής τάσης 220 V AC και συχνότητας 50 Hz. Τοποθετήθηκε γενικός διακόπτης της παροχής με φωτεινή ένδειξη λειτουργίας ενώ για την αυτόματη αποσύνδεση της τροφοδοσίας του πίνακα σε περίπτωση βραχυκυκλώματος ακολουθεί ασφάλεια 16 Α. Η φάση τροφοδοσίας, ο αγωγός του ουδετέρου και της γείωσης της παροχής καταλήγουν σε σειρά από κλέμες, από όπου εν συνεχεία κατανέμεται παράλληλα στις συσκευές που λειτουργούν με παροχή ρεύματος 220 V. Η κάρτα τερματισμού σημάτων συγκεντρώνει όλα τα αναλογικά και ψηφιακά σήματα που απαιτούνται για τον έλεγχο της λειτουργίας της διάταξης και συνδέεται απευθείας με την κάρτα δειγματοληψίας PCI-MIO-16E-4 της εταιρίας Νational Instruments Inc., η οποία εγκαθίσταται στον υπολογιστή ελέγχου (Πίνακας 6.7). Τύπος PCI-MIO-16E-4 Αναλογικά κανάλια εισόδου 16 Αναλογικά κανάλια εξόδου 2 Ψηφιακές κανάλια εισόδου/εξόδου 8 Ανάλυση [bit] 16 Μέγιστος ρυθμός δειγματοληψίας [ksamples/s] 500 Τάση αναλογικής εισόδου/εξόδου [V] Τάση ψηφιακής εισόδου/εξόδου [V] Θερμοκρασία λειτουργίας [ C] Διασύνδεση Πίνακας 6.7: Τεχνικά χαρακτηριστικά εσωτερικής κάρτας δειγματοληψίας PCI-MIO-16E-4. PCI Συνολικά, σύμφωνα με τις απαιτήσεις λειτουργίας της πειραματικής διάταξης, η συγκεκριμένη κάρτα δειγματοληψίας λαμβάνει 4 αναλογικά σήματα εισόδου, ενώ εκπέμπει 1 αναλογικό και 3 ψηφιακά σήματα εξόδου. Γίνεται λήψη 50 συνολικά μετρήσεων ανά κανάλι μέτρησης με ρυθμό δειγματοληψίας 10 kηz και χρησιμοποιείται η μέση τιμή. Τα φυσικά μεγέθη που παρακολουθούνται είναι τα ακόλουθα: Δύναμη εμβόλου

75 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων Πίεση αέρα που διοχετεύεται στο έμβολο Περιεκτικότητα οξυγόνου εντός του θαλάμου της διάταξης Πίεση θαλάμου της διάταξης Η επιθυμητή πίεση αέρα που διοχετεύεται στο έμβολο αποτελεί το αναλογικό σήμα εξόδου, και ορίζεται αυτόματα ανάλογα με τη δύναμη πίεσης που προκαθορίζεται από το χρήστη. Τα ψηφιακά σήματα εξόδου οδηγούν τους ισάριθμους ηλεκτρονόμους στερεάς κατάστασης και επιτρέποντας ή διακόπτοντας την τροφοδοσία 220 V ΑC του φούρνου θέρμανσης και της αντλίας κενού ή ορίζοντας τον κατεύθυνση της ροής πεπιεσμένου αέρα στον άνω ή στον κάτω θάλαμο του εμβόλου και, τοιουτοτρόπως, την κατεύθυνση κίνησης του. Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας σε επιμέρους θέσεις της διάταξης χρησιμοποιείται αποκλειστικά η εξωτερική κάρτα δειγματοληψίας ΝΙ USB-9211A, όπως έχει παρουσιαστεί νωρίτερα (Πίνακας 5.5). Κατά τη λειτουργία, λαμβάνονται 4 τιμές ανά κανάλι μέτρησης της θερμοκρασίας του δοκιμίου, της βάσης και του εμβόλου της διάταξης με συχνότητα 3 Ηz. Μονάδα ελέγχου Η μονάδα ελέγχου της διάταξης αποτελείται από ηλεκτρονικό υπολογιστή, ο οποίος διαθέτει κατάλληλο λογισμικό, γραμμένο στη γλώσσα προγραμματισμού LabVIEW v της εταιρείας National Instruments. Η επιλογή της συγκεκριμένης γλώσσας προγραμματισμού έγινε λόγω της άριστης συμβατότητας της με τις κάρτες δειγματοληψίας που χρησιμοποιήθηκαν, καθώς προέρχονται από την ίδια εταιρία, με αποτέλεσμα την πλήρη υποστήριξη και αξιοποίηση τους από το λογισμικό LabVIEW [73]. Για τη διεξαγωγή του συνόλου της καθοδήγησης της διάταξης αναπτύχθηκε πρόγραμμα ελέγχου, το γραφικό περιβάλλον του οποίου παρουσιάζεται στο Σχήμα 6.8. Στις κύριες λειτουργίες του προγράμματος συμπεριλαμβανεται η λήψη αναλογικών και ψηφιακών σημάτων, η επεξεργασία τους και η αποστολή αντίστοιχων σημάτων για τον έλεγχο της διάταξης σε πραγματικό χρόνο ενώ οι βασικές παράμετροι και δεδομένα λειτουργίας απεικονίζονται κατάλληλα στο γραφικό περιβάλλον ελέγχου της διάταξης. Το λογισμικό πρόγραμμα της μονάδας ελέγχου πραγματοποιεί τις ακόλουθες λειτουργίες: Έλεγχος επικοινωνίας με κάρτες δειγματοληψίας Συνεχής συλλογή μετρήσεων παραμέτρων λειτουργίας Έλεγχος φούρνου θέρμανσης μέσω PI αλγορίθμου αυτομάτου ελέγχου Καθοδήγηση εμβόλου και έλεγχος ασκούμενης δύναμης συμπίεσης Έλεγχος λειτουργίας αντλίας κενού

76 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων Αυτόματη καταγραφή δεδομένων λειτουργίας (θερμοκρασίας, πίεσης, δύναμης, περιεκτικότητας Ο 2, κ.α.) σε αρχείο ASCII Συνεχής έλεγχος κρίσιμων παραμέτρων λειτουργίας και παύση / διακοπή λειτουργίας για την αποφυγή μη προβλεπόμενης λειτουργίας Αυτόματη απομάκρυνση του φορτίου και διακοπή της λειτουργίας του θέρμανσης με το πέρας της δοκιμασίας Σχήμα 6.8: Γραφικό περιβάλλον ελέγχου της πειραματικής διάταξης. Το γραφικό περιβάλλον περιλαμβάνει την παρουσίαση της εξέλιξης των μετρουμένων τιμών σε 3 θέσεις της διάταξης ως προς το χρόνο σε αντίστοιχα διαγράμματα, όπως και τις στιγμιαίες τιμές δύναμης εμβόλου και περιεκτικότητας Ο 2 με κατάλληλες ενδείξεις. Επίσης περιλαμβάνεται μία ενότητα χειροκίνητου χειρισμού της λειτουργίας του ηλεκτρικού φούρνου και της κατεύθυνσης κίνησης και πίεσης τροφοδοσίας του πνευματικού εμβόλου, μέσω της οποίας ελέγχεται η εφαρμοζόμενη δύναμη. Η τυπική λειτουργία πραγματοποιείται με αντίστοιχες ενότητες αυτόματης λειτουργίας. Ο έλεγχος του φούρνου γίνεται μέσω της ενεργοποίησης PI υποπρογράμματος. Ο έλεγχος της αυτόματης λειτουργίας του εμβόλου συμπεριλαμβάνει τον ορισμό του επιθυμητού χρόνου επαφής, το συνολικό πλήθος των περιόδων επαφής και το φορτίο επαφής. Η καταγραφή των στοιχείων λειτουργίας της διάταξης ενεργοποιείται με την αυτόματη ή χειροκίνητη λειτουργία του φούρνου ή της αντλίας κενού, καταγράφει τόσο τις επιθυμητές παραμέτρους λειτουργίας του χρήστη όσο και μία αλληλουχία 9 παραμέτρων κάθε 10 δευτερόλεπτα

77 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων 6.2. Περιγραφή πειραματικής διαδικασίας Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάζεται η μεθοδολογία εκτέλεσης δοκιμών με την πειραματική διάταξη συμπίεσης επικαλύψεων σε υψηλές θερμοκρασίες. Τα στάδια που απαρτίζουν τη διαδικασία εκτέλεσης πειραμάτων με τη συγκεκριμένη διάταξη παρουσιάζονται στο Σχήμα 6.9. Σχήμα 6.9: Στάδια εκτέλεσης πειράματος με τη διάταξη συμπίεσης επικαλύψεων σε υψηλές θερμοκρασίες. Εν συνεχεία, γίνεται παρουσίαση σε μεγαλύτερο βάθος ορισμένων εκ των προηγουμένων σταδίων της πειραματικής διαδικασίας. Προετοιμασία δοκιμίου, άκρου εμβόλου και θερμαινόμενων τμημάτων Πριν την έναρξη της πειραματικής διαδικασίας, το χαλύβδινο στέλεχος επαφής κατασκευάζεται μέσω κατεργασίας τορναρίσματος από ράβδους 42CrMo4 QT ή μέσω κοπής κυλίνδρων Ø4x20 mm, με τη χημική σύσταση και μηχανικές ιδιότητες που υποδεικνύει ο Πίνακας 6.8. Τα άκρα των στελεχών διαμορφώνονται σε κύκλο ακτίνας 3.7 mm και λειαίνονται για την αποφυγή μερικής επαφής επί ιχνών κατεργασίας, τοπικής υπερφόρτισης και τη διασφάλιση επαναληψιμότητας των συνθηκών επαφής γενικότερα

78 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων Το εκάστοτε δοκίμιο προσδένεται επί του στελέχους συγκράτησης εντός του άξονα του ηλεκτρικού φούρνου βωμού και το αντίστοιχο θερμοστοιχείο τοποθετείται κατάλληλα εντός του αυλακιού όπως έχει παρουσιαστεί στο Σχήμα 6.6 ώστε να μην έρχεται σε επαφή με την αντίσταση του φούρνου. Το στέλεχος επαφής τοποθετείται στο άκρο του εμβόλου σύμφωνα με το Σχήμα 6.4. Ακριβώς πριν τη συγκράτησή τους, οι επιφάνειες επαφής του δοκιμίου και του στελέχους επαφής καθαρίζονται με ακετόνη από τυχών οργανικές ή ανόργανες ακαθαρσίες. C Mn Si P S Cr Mo Fe < 0.4 <0.035 < υπόλοιπο R p0.2 [MPa] R m [MPa] E [GPa] v Πίνακας 6.8: Χημική σύσταση και μηχανικές ιδιότητες υλικού στελέχους επαφής [78]. Το τελικό στάδιο προετοιμασίας περιλαμβάνει την κατάλληλη τοποθέτηση του αγωγού παροχής του θερμαινόμενου αερίου αργού πλησίον της βάσης του στελέχους στήριξης του δοκιμίου και εκατέρωθεν στρωμάτων εύκαμπτης κεραμικής μόνωσης, όπως επίσης και την τοποθέτηση ή τον έλεγχο της ορθής τοποθέτησης των θερμοστοιχείων μέτρησης της θερμοκρασίας του δοκιμίου και των άνω και κάτω ψυχόμενων πλακών. Τέλος, το σύνολο του φούρνου, της βάσης του και του κάτω τμήματος του εμβόλου καλύπτονται από εύκαμπτη κεραμική μόνωση, περιορίζοντας αρκετά τη θερμορροή απωλειών προς το περιβάλλον, τη βάση της διάταξης και το κυρίως σώμα του εμβόλου. Όπως παρουσιάζεται ενδεικτικά στο Σχήμα 6.10, το εσωτερικό του φούρνου απομονώνεται θερμικά στο μέγιστο δυνατό βαθμό. Απομάκρυνση οξυγόνου και θέρμανση δοκιμίου και άκρου εμβόλου Για την επίτευξη χαμηλών επιπέδων οξυγόνου εντός του θαλάμου έγινε αρχικά εφαρμογή της μεθόδου εκτοπίσματος του περιεχόμενου αερίου ( purge-and-bleed displacement method ) με αργό, ένα τυπικό ξηρό αέριο. Αυτή η μέθοδος βασίζεται στη συνεχή παροχή ενός ξηρού αερίου (τυπικά αζώτου ή αργού) για την εκτόπιση της υπάρχουσας, πλούσιας σε υγρασία και οξυγόνο, ατμόσφαιρας, η οποία απομακρύνεται διαμέσου βαλβίδας μιας κατεύθυνσης. Αυτή η διαδικασία τυπικά απαιτεί αρκετές ώρες, καταναλώνει αρκετό αέριο λειτουργίας και ενδέχεται να μην οδηγήσει σε επαρκώς χαμηλή συγκέντρωση οξυγόνου, ανάλογα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής. Η εναλλακτική μέθοδος περιλαμβάνει την αναρρόφηση της ατμόσφαιρας εντός του κλειστού θαλάμου και την αντικατάσταση της με κατάλληλο αέριο λειτουργίας ώσπου να επανέλθει η

79 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων Σχήμα 6.10: Μηχανικό τμήμα πειραματικής διάταξης συμπίεσης και θέρμανσης επικαλυμμένων δοκιμίων ενδεικτικά, με πλήρη θερμική μόνωση. πίεση στα επίπεδα της ατμοσφαιρικής. Εφόσον κριθεί απαραίτητο, αυτή η διαδικασία επαναλαμβάνεται έως ότου η εσωτερική ατμόσφαιρα φτάσει τα επιθυμητά όρια συγκέντρωσης οξυγόνου ή υγρασίας. Σε τυπικές εφαρμογές, αυτή η μέθοδος επιφέρει τα ίδια ή καλυτέρα αποτελέσματα έπειτα από λίγους μόνο κύκλους, απαιτώντας μόνο ένα κλάσμα του αερίου λειτουργίας και του χρόνου εφαρμογής συγκριτικά με τη μέθοδο εκτόπισης [79]. Σχήμα 6.11: Τυπική διαδικασία απομάκρυνσης του οξυγόνου της ατμόσφαιρας του θαλάμου. Λόγω των ανωτέρω, προκρίθηκε ο καθαρισμός της αρχικής ατμόσφαιρας του θαλάμου μέσω διαδοχικών σταδίων εκκένωσης του ως κάποια τιμή υποπίεσης και την εν συνεχεία πλήρωση

80 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων του με αδρανές αέριο αργό μέχρι την επαναφορά της πίεσης στο εσωτερικό του στο επίπεδο της ατμοσφαιρικής. Στο Σχήμα 6.11 παρουσιάζεται ποιοτικά η μεταβολή της σχετικής πίεσης εντός του θαλάμου της διάταξης και η μετρούμενη περιεκτικότητα οξυγόνου κατά τη διάρκεια της διαδικασίας απομάκρυνσης του οξυγόνου από το εσωτερικό του θαλάμου, Κατά τη διάρκεια αυτού του βήματος προετοιμασίας, η αντλία κενού λειτουργεί αυτόματα ώστε η σχετική πίεση να παλινδρομεί μεταξύ δύο τιμών πίεσης, διατηρώντας σταθερή την παροχή αργού αερίου. Εφόσον η περιεκτικότητα του οξυγόνου εντός του θαλάμου έχει φτάσει και σταθεροποιηθεί σε ικανοποιητικά χαμηλό επίπεδο, ο χρήστης τοποθετεί μέσω των χειροκίνητων ελέγχων το έμβολο σε κοντινή απόσταση πάνω το δοκίμιο, περιορίζοντας το θάλαμο θέρμανσης και μειώνοντας τις θερμικές απώλειες κατά το επόμενο στάδιο της θέρμανσης του δοκιμίου και του άκρου του εμβόλου. Εν συνεχεία, απενεργοποιείται η παροχή αργού αερίου και τίθεται σε λειτουργία η τροφοδοσία των υδρόψυκτων συστημάτων. Η απόδοση των τελευταίων ρυθμίζεται χειροκίνητα με την ανάλογη αυξομείωση της παροχής νερού του κυκλώματος. Η θέρμανση του φούρνου τίθεται σε λειτουργία είτε χειροκίνητα είτε με τον ορισμό της επιθυμητής θερμοκρασίας του δοκιμίου και την εκκίνηση της υπορουτίνας αυτομάτου ελέγχου του φούρνου. Σε κάθε περίπτωση, ως δικλείδα ασφαλείας έχουν συμπεριληφθεί οι μέγιστες επιτρεπόμενες τιμές θερμοκρασίας των δύο υδρόψυκτων πλακών. Σε περίπτωση που για οποιοδήποτε αιτία η θερμοκρασία τους ξεπεράσει το αντίστοιχο όριο, διακόπτεται αυτόματα η τροφοδοσία του ηλεκτρικού φούρνου. Ο μέγιστος στιγμιαίος ρυθμός αύξησης της θερμοκρασίας αγγίζει κατά προσέγγιση τους 2.7 C/sec κατά την εκκίνηση της διαδικασίας, η θερμοκρασία του φούρνου τείνει την τυπική τελική τιμή των 800 C με μηδενικό ή αμελητέο ποσοστό υπερύψωσης εντός χρονικής διάρκειας 40 λεπτών και διατηρείται εντός εύρους ±2 C από την επιθυμητή τιμή μέσω της υπορουτίνας αυτομάτου ελέγχου της λειτουργίας του ηλεκτρικού φούρνου. Κύκλοι συμπίεσης/επαφής Μόλις ολοκληρωθεί η διαδικασία θέρμανσης του άκρου εμβόλου και του δοκιμίου και σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία του δοκιμίου, ενεργοποιείται μέσω του αντίστοιχου κομβίου η αυτόματη λειτουργία του εμβόλου. Οι παράμετροι ελέγχου της αυτόματης λειτουργίας του εμβόλου περιλαμβάνουν το συνολικό πλήθος των περιόδων επαφής, την επιθυμητή χρονική διάρκεια της επαφής, ορισμένη σε δευτερόλεπτα ανά περίοδο, και τη δύναμη που ασκεί το έμβολο στο δοκίμιο κατά την επαφή. Αντίστοιχα, στην ενότητα του ελέγχου αυτόματης λειτουργίας εμβόλου συμπεριλαμβάνονται μετρητές και δείκτες που παρακολουθούν τη διαδικασία και παρέχουν σχετικές πληροφορίες στο χρήστη, όπως μετρητής των περιόδων επαφής, της χρονικής διάρκειας της εκάστοτε επαφής και της διάρκειας δίχως επαφή, όπως και ενδεικτικές ενημερωτικές λυχνίες για συγκεκριμένα συμβάντα

81 6. Κατασκευή διάταξης συμπίεσης θέρμανσης κοπτικών πλακιδίων Η επαφή του δοκιμίου προσδιορίζεται ανάλογα με το μετρούμενο φορτίο. Ο ρυθμός αύξησης της δύναμης του εμβόλου είναι της τάξης των 1000 Ν/sec και θεωρείται πως έχει επέλθει επαφή όταν το εφαρμοζόμενο φορτίο ξεπεράσει το 50% του επιθυμητού. Αντίθετα, η κατάσταση «μη επαφής» ορίζεται μέσω του μηδενισμού της εφαρμοζόμενης θλιπτικής δύναμης και την ελάχιστη απομάκρυνση του στοιχείου επαφής από το δοκίμιο. Κατά την εκτέλεση μιας τυπικής δοκιμής θέρμανσης συμπίεσης, η εφαρμοζόμενη δύναμη του εμβόλου διαμέσου του στοιχείου επαφής προς το δοκίμιο μεταβάλλεται όπως παρουσιάζεται ποιοτικά στο Σχήμα 6.12, ενώ η θερμοκρασία του φούρνου και του δοκιμίου δεν επηρεάζεται από τις συνθήκες επαφής. Furnace temperature [ C] Force [N] Τime [sec] Σχήμα 6.12: Μορφή σήματος δύναμης εμβόλου και θερμοκρασίας δοκιμίου κατά την εκτέλεση μιας τυπικής δοκιμής θέρμανσης συμπίεσης. Ψύξη, εξαγωγή και αντικατάσταση του δοκιμίου Η πειραματική δοκιμασία ολοκληρώνεται με την ολοκλήρωση του πλήθους των κύκλων επαφής, την αυτόματη απομάκρυνση του εμβόλου στην άνω οριακή θέση και τη διακοπή της τροφοδοσίας του ηλεκτρικού φούρνου. Η απόψυξη του δοκιμίου ολοκληρώνεται σταδιακά χωρίς εξαναγκασμένη ψύξη, με μέγιστο στιγμιαίο ρυθμό ελάττωσης της θερμοκρασίας 1 C/sec κατά τη διακοπή της τροφοδοσίας του φούρνου και επιστροφή σε ανεκτά επίπεδα θερμοκρασία περιβάλλοντος έπειτα από 1,5 h. Ακολουθεί η απομάκρυνση του δοκιμίου με τη χρήση ανοξείδωτης λαβίδας, είτε μέσω ανοίγματος του θαλάμου και πλήρους πρόσβασης στο εσωτερικό του, είτε μέσω διατήρησης της ατμόσφαιρας του θαλάμου, χρήσης του ενσωματωμένου γαντιού στο κέλυφος του και απλής αντικατάστασης του δοκιμίου και του στελέχους επαφής του άκρου του εμβόλου

82 7. Μελέτη επίδρασης θερμοκρασίας επί της συμπεριφοράς σε κόπωση PVD DLC επικαλύψεων μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης 7. Μελέτη επίδρασης θερμοκρασίας επί της συμπεριφοράς σε κόπωση PVD DLC επικαλύψεων μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης Στα πλαίσια της παρούσης ερευνητικής εργασίας, η υπομονάδα υψηλών θερμοκρασιών του δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου εφαρμόστηκε για την εξέταση δύο τύπων DLC επικαλύψεων ως προς τη συμπεριφορά τους σε κόπωση και της επίδρασης της θερμοκρασίας σε αυτήν. Ο σκοπός της έρευνας συμπεριέλαβε τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων, τόσο των επικαλύψεων όσο και του υποστρώματος μέσω νανοδιεισδύσεων σε αντίστοιχες θερμοκρασίες. Το υπόστρωμα των δοκιμίων ήταν ταχυχάλυβας HS Η πρώτη ομάδα δοκιμίων, με τον κωδικό DLC-A, έφερε διστρωματική επικάλυψη με ανώτερο μαλακό και κατώτερο σκληρό DLC στρώμα και στιβάδα συνάφειας τιτανίου για βελτίωση της συνάφειας με το υπόστρωμα. Η δεύτερη ομάδα, DLC-B, αποτελούνταν από ένα μαλακό ανώτερο DLC φιλμ και μία στιβάδα συνάφειας χρωμίου, ομοίως για βελτίωση της συνάφειας με το υπόστρωμα. Ο προσδιορισμός των ιδιοτήτων των δοκιμίων διεξήχθη σε τρία στάδια: Προσδιορισμός του πάχους του εκάστοτε στρώματος επικάλυψης, μέσω της δοκιμασίας κρατεροποίησης. Προσδιορισμός των ελαστοπλαστικών ιδιοτήτων των στρωμάτων και του υποστρώματος μέσω νανοδιεισδύσεων σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και σε ανώτερες θερμοκρασίες ως τους 400 C, σύμφωνα με τη μεθοδολογία που περιγράφεται στη βιβλιογραφία [80,81,82]. Αξιολόγηση της απόδοσης των επικαλύψεων στις δοκιμασίες κρουστικού ελέγχου [31,83,84,34,32]. Με σκοπό τον προσδιορισμό του εκάστοτε ορίου τάσης συνεχούς αντοχής, διεξήχθησαν δοκιμασίες κάθετης κρούσης των 10 6 επαναλήψεων υπό διάφορα φορτία και σε διάφορα επίπεδα θερμοκρασίας, σε πλήρη αντιστοιχία με τις δοκιμές νανοδιεισδύσεων. Αυτές οι δοκιμές επαναλήφθησαν αρκετές φορές όπου ήταν δυνατόν, προς τη βελτίωση της ακρίβειας των αποτελεσμάτων Προσδιορισμός πάχους των στρωμάτων επικάλυψης Για τον προσδιορισμό του πάχους του κάθε στρώματος επικάλυψης εφαρμόστηκε η μέθοδος κρατεροποίησης. Τα παραχθέντα αποτυπώματα επιθεωρήθηκαν μέσω του συνεστιακού, οπτικού μικροσκοπίου Νanofocus. Χαρακτηριστικές μικροφωτογραφίες εκθέτονται στο Σχήμα 7.1, για την περίπτωση της ομάδας DLC-A με τη διστρωματική επικάλυψη. Έπειτα από 9 min λείανσης και απόξεσης της διαδικασίας κρατεροποίησης, αποκαλύπτεται το κατώτερο σκληρό DLC φιλμ ενώ έπειτα από λίγο φανερώνεται και το υπόστρωμα. Το μαλακό άνω DLC στρώμα προκύπτει πως έχει πάχος 0.8 µm, ενώ το σκληρό κατώτερο of 2.4 µm, συμπεριλαμβανομένης της στιβάδας συνάφειας τιτανίου

83 7. Μελέτη επίδρασης θερμοκρασίας επί της συμπεριφοράς σε κόπωση PVD DLC επικαλύψεων μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης Αντίστοιχα, η επικάλυψη DLC-B της δεύτερης ομάδας δοκιμίων έχει μέση τιμή πάχους ίση με 2.16 μm κατά προσέγγιση, όπως διακρίνεται στο Σχήμα 7.2. Το λεπτό στρώμα βάσης χρωμίου δεν ήταν διακριτό με την εφαρμοσμένη οπτική μέθοδο μέτρησης. Σχήμα 7.1: Δοκιμή κρατεροποίησης για τον προσδιορισμό του πάχους της DLC-A επικάλυψης. Σχήμα 7.2: Δοκιμή κρατεροποίησης για τον προσδιορισμό του πάχους της DLC-Β επικάλυψης

84 7. Μελέτη επίδρασης θερμοκρασίας επί της συμπεριφοράς σε κόπωση PVD DLC επικαλύψεων μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης 7.2. Προσδιορισμός μηχανικών ιδιοτήτων φιλμ επικάλυψης και υποστρώματος. Ιδιότητες υποστρώματος HS Για να διασφαλιστεί πως το υπόστρωμα ταχυχάλυβα παρέχει ικανές μηχανικές ιδιότητες για τη συγκράτηση των DLC επικαλύψεων εκτελέστηκαν διάφορες δοκιμές. Το Σχήμα 7.3 περιλαμβάνει ένα αποτύπωμα Rockwell C στην επιφάνεια ακάλυπτου δοκιμίου υπό φορτίο 1471 N, το οποίο αντιστοιχεί σε σκληρότητα 62 HRC. Η ομοιογένεια του κοίλου αποτυπώματος αυτής της δοκιμασίας υποδεικνύει επαρκείς ιδιότητες ολκιμότητας του υποστρώματος. Σχήμα 7.3: Αποτύπωμα Rockwell C στο υπόστρωμα ΗS Εν συνεχεία, εκτελέστηκαν δοκιμασίες νανοδιεισδύσεων για τον προσδιορισμό της ελαστοπλαστικής συμπεριφοράς του υποστρώματος μέσω κατάλληλης μεθοδολογίας αξιολόγησης των σχετικών πειραματικών αποτελεσμάτων, υποβοηθούμενης από FEM υπολογισμούς [85]. Οι δοκιμές νανοδιείσδυσης διεξήχθησαν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος μέσω της διάταξης Fischerscope H100 με τριγωνικό εισβολέα τύπου Berkovich. Στο Σχήμα 7.4 περιλαμβάνεται η καμπύλη βάθους διείσδυσης ως προς το ασκούμενο φορτίο και, έπειτα από τη σχετική προσομοίωση της διαδικασίας, η υπολογισμένη καμπύλη τάσης παραμόρφωσης του υλικού του υποστρώματος. Η ισοδύναμη κατά von Mises τάση διαρροής εντοπίστηκε στην τιμή των 2.5 GPa ενώ η τάση θραύσης ανέρχεται σε 4.4 GPa

85 7. Μελέτη επίδρασης θερμοκρασίας επί της συμπεριφοράς σε κόπωση PVD DLC επικαλύψεων μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης Σχήμα 7.4: Μηχανικές ιδιότητες HS στους 25 C. Ιδιότητες επικάλυψης DLC με στιβάδα συνάφειας τιτανίου Το Σχήμα 7.5 παρουσιάζει την τρισδιάστατη φωτογραφία και την τοπομορφία ενός αποτυπώματος Rockwell C σε ένα δοκίμιο με τη διστρωματική DLC-A επικάλυψη. Η περιφέρεια του αποτυπώματος υποδηλώνει την επαρκή ποιότητα συνάφειας του DLC φιλμ. Για τον προσδιορισμό των αντίστοιχων καμπυλών ισοδύναμης τάσης παραμόρφωσης του κάθε εκ των δύο στρωμάτων, εκτελέστηκαν δοκιμές νανοδιείσδυσης στο επιφανειακό μαλακό DLC φιλμ και σε δοκίμια καλυμμένα μόνο με το κατώτερο σκληρό DLC στρώμα. Η διαφορά της σκληρότητας μεταξύ των δύο παρουσιάζεται στο άνω διάγραμμα από το Σχήμα 7.6: υπό το ίδιο φορτίο διείσδυσης των 5 mn, το προκύπτον βάθος ανέρχεται σε 140 nm και 80 nm για το μαλακό και το σκληρό στρώμα αντίστοιχα. Ακολούθως, οι υπολογισμένες μηχανικές ιδιότητες των δύο στρωμάτων διαφέρουν σημαντικά, με το ανώτερο φιλμ να εμφανίζει όριο διαρροής στα 2.2 GPa και όριο θραύσης στα 2.5 GPa έναντι των 5 GPa και 7.8 GPa του κατώτερου, ισχυρού DLC φιλμ αντιστοίχως. Επιπλέον μετρήσεις νανοδιείσδυσης πραγματοποιήθηκαν στις επικαλυμμένες επιφάνειες των δοκιμίων σε διάφορες θερμοκρασίες μεταξύ των 80 και 400 C με σκοπό την καταγραφή της μεταβολής της σκληρότητα τους. Οι μετρήσεις διεξήχθησαν με τη διάταξη Micro Materials Ltd- NanoTest device και εισβολέα τριγωνικής πυραμίδας Berkovich. Το σύνολο των μέσων πειραματικών καμπυλών βάθους δύναμης διείσδυσης για κάθε επίπεδο θερμοκρασίας εκθέτεται στο Σχήμα 7.7. Η μεταβολή της συμπεριφοράς της επικάλυψης στο θερμοκρασιακό εύρος μεταξύ C εμφανίζεται αμελητέα, καθώς το μέγιστο βάθος διείσδυσης παραμένει πρακτικά σταθερό ενώ παρατηρείται μία μικρή μείωση του εναπομένοντος βάθους παραμόρφωσης στους 150 C. Η

86 7. Μελέτη επίδρασης θερμοκρασίας επί της συμπεριφοράς σε κόπωση PVD DLC επικαλύψεων μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης αύξηση της θερμοκρασίας διεξαγωγής των νανοδιεισδύσεων σε C επηρεάζει το βάθος διείσδυσης, το οποίο αυξάνεται από 230 nm ως τα nm. Αντιθέτως, στους 400 C καταγράφεται μία μειωμένη τιμή μέγιστου βάθους διείσδυσης, το οποίο αποδίδεται σε εσωτερικές διαδικασίες σκλήρυνσης. Σχήμα 7.5: Αξιολόγηση αποτυπώματος Rockwell C στα DLC-A επικαλυμμένα δοκίμια. Σχήμα 7.6: Μηχανικές ιδιότητες των στρωμάτων της DLC-A επικάλυψης στους 25 C

87 7. Μελέτη επίδρασης θερμοκρασίας επί της συμπεριφοράς σε κόπωση PVD DLC επικαλύψεων μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης Σχήμα 7.7: Αποτελέσματα νανοδιεισδύσεων επί της DLC-A επικάλυψης σε διάφορες θερμοκρασίες. Ιδιότητες επικάλυψης DLC με στιβάδα συνάφειας χρωμίου Το αποτύπωμα σκληρομέτρησης Rockwell C σε ένα δοκίμιο επικαλυμμένο με μονοστρωματικό DLC φιλμ παρουσιάζεται στο Σχήμα 7.8. Η περιφέρεια του αποτυπώματος υποδηλώνει κατώτερη ποιότητα συνάφειας με το υπόστρωμα συγκριτικά με την ομάδα DLC-A. Οι μηχανικές ιδιότητες του συγκεκριμένου DLC στρώματος προσδιορίστηκαν μέσω της μέσης καμπύλης νανοδιεισδύσεων, σύμφωνα με το Σχήμα 7.9. Για την επικάλυψη DLC-B, η τάση διαρροής εντοπίστηκε στα 3.5 GPa και η τάση θραύσης στα 4.4 GPa. Βάσει αυτών των στοιχείων, η συγκεκριμένη επικάλυψη δύναται να χαρακτηριστεί ως μαλακή συγκριτικά με την κατώτερη των DLC-A δοκιμίων, διατηρώντας ωστόσο ανώτερα μηχανική αντοχή από το ανώτερο DLC φιλμ. Η συμπεριφορά της επικάλυψης DLC-B αναφορικά με τη σκληρότητα σε διάφορες θερμοκρασίες παρουσιάζεται στο Σχήμα Το μέγιστο βάθος της μέσης καμπύλης της αντίστοιχης διαδικασίας νανοδιείσδυσης ανέρχεται στα nm υπό φορτίο 15 mn και

88 7. Μελέτη επίδρασης θερμοκρασίας επί της συμπεριφοράς σε κόπωση PVD DLC επικαλύψεων μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης υπολείπεται του αντίστοιχου της DLC-A επικάλυψης, λόγω των ιδιοτήτων του ανώτερου μαλακού στρώματος της τελευταίας. Σχήμα 7.8: Αξιολόγηση αποτυπώματος Rockwell C στα DLC-Β επικαλυμμένα δοκίμια. Στο Σχήμα 7.11 περιλαμβάνονται τα χαρακτηριστικά βάθη των νανοδιεισδύσεων ως προς τη θερμοκρασία της εκάστοτε δοκιμής για τις δύο επικαλύψεις. Είναι εμφανές ότι η DLC-B χαρακτηρίζεται τόσο από σταθερά μέγιστα βάθη διείσδυσης όσο και από σταθερά βάθη εναπομένουσας πλαστικής παραμόρφωσης έπειτα από την απομάκρυνση του φορτίου. Αυτό το γεγονός υποδηλώνει ότι οι μηχανικές του ιδιότητες παραμένουν ανεπηρέαστες ως τη μέγιστη θερμοκρασία ελέγχου των 400 C. Αντιθέτως, η DLC-A επικάλυψη εμφανίζει αποκλίσεις των προαναφερθέντων παραμέτρων ως προς τη θερμοκρασία. Για την ολοκληρωμένη σύγκριση των δύο DLC συστημάτων επικάλυψης, εκτελέστηκε μία ακόμα δοκιμασία: δοκίμια από τις δύο ομάδες εξετάστηκαν με τη διάταξη νανοδιείσδυσης σε θερμοκρασία δωματίου, θερμάνθηκαν στους 400 C (στις ίδιες συνθήκες που επικρατούσαν κατά τις νανοδιεισδύσεις των 400 C) και υποβλήθηκαν εκ νέου σε νανοδιεισδύσεις σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Στο Σχήμα 7.12 παρουσιάζονται καμπύλες του βάθους νανοδιείσδυσης προς το ασκούμενο φορτίο για την εν λόγω δοκιμή. Όπως προέκυψε, η DLC-A επικάλυψη εμφανίζει υψηλότερο βάθος διείσδυσης και εναπομένουσα παραμόρφωση σε σύγκριση με το DLC-B φιλμ. Αυτά τα βάθη αυξάνουν στην περίπτωση των θερμασμένων δοκιμίων στους 400 C και για τις δύο περιπτώσεις. Όπως έχει ήδη διαπιστωθεί, το DLC-Β στρώμα παρουσιάζει μικρότερο μέγιστο βάθος διείσδυσης (δηλαδή υψηλότερη σκληρότητα) συγκριτικά με τη DLC-A επικάλυψη. Μέσω της τελευταίας προσέγγισης, ωστόσο εμφανίζεται πως η DLC-Β επηρεάζεται σε μεγαλύτερο βαθμό από τη διαδικασία θέρμανσης, καθώς έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του μέγιστου βάθους διείσδυσης κατά 13%, αντίθετα με την πρώτη επικάλυψη που επιδεικνύει αύξηση κατά 7%

89 7. Μελέτη επίδρασης θερμοκρασίας επί της συμπεριφοράς σε κόπωση PVD DLC επικαλύψεων μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης Σχήμα 7.9: Μηχανικές ιδιότητες της DLC-Β επικάλυψης στους 25 C. Σχήμα 7.10: Αποτελέσματα νανοδιεισδύσεων επί της DLC-Β επικάλυψης σε διάφορες θερμοκρασίες

90 7. Μελέτη επίδρασης θερμοκρασίας επί της συμπεριφοράς σε κόπωση PVD DLC επικαλύψεων μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης Σχήμα 7.11: Σύγκριση χαρακτηριστικών αποτελεσμάτων νανοδιεισδύσεων για διάφορες θερμοκρασίες δοκιμής. Σχήμα 7.12: Σύγκριση καμπυλών νανοδιεισδύσεων πριν, κατά τη διάρκεια και μετά τη θέρμανση των δοκιμίων στους 400 C Απόδοση DLC επικαλύψεων στην κρουστική δοκιμασία Η αξιολόγηση των αποτυπωμάτων της δοκιμασίας κρουστικού ελέγχου επί των δοκιμίων πραγματοποιήθηκε μέσω συνεστιακής οπτικής σαρωτικής ηλεκτρονικής μικροσκοπίας (Σχήμα 7.13). Εκτός των ποιοτικών αναλύσεων μέσω των SEM μικρογραφιών ελήφθησαν ποσοτικά συμπεράσματα μέσω της περαιτέρω επεξεργασίας τους. Συγκεκριμένα, προσδιορίστηκε ο βαθμός της αστοχίας και απομάκρυνσης της επικάλυψης μέσω του

91 7. Μελέτη επίδρασης θερμοκρασίας επί της συμπεριφοράς σε κόπωση PVD DLC επικαλύψεων μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης Σχήμα 7.13: Αξιολόγηση αποτυπωμάτων κρουστικού ελέγχου. Σχήμα 7.14: Προσδιορισμός λόγου επιφάνειας αστοχίας FR μέσω του λογισμικού WEPROC

92 7. Μελέτη επίδρασης θερμοκρασίας επί της συμπεριφοράς σε κόπωση PVD DLC επικαλύψεων μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης αλγορίθμου WEPROC (WEar PROpagation Code) [80]. Σύμφωνα με αυτήν την προσέγγιση, η έκταση της αστοχίας ποσοτικοποιήθηκε με τον υπολογισμό του λόγου επιφάνειας αστοχίας (Failed area Ratio-FR), που ορίζεται ως η επιφάνεια όπου έχει εκτεθεί το υπόστρωμα προς τη συνολική επιφάνεια επαφής του σφαιρικού εισβολέα. Αυτός ο λόγος προσδιορίζεται αυτόματα με το προαναφερθέντα λογισμικό και την αξιολόγηση SEM μικροφωτογραφιών οπισθοσκεδαζόμενων ηλεκτρονίων. To Σχήμα 7.14 παρουσιάζει την αξιολόγηση αποτυπώματος κρουστικού ελέγχου έπειτα από 10 6 επέφερε αστοχία με FR ίσο με 18%. κρούσεις υπό φορτίο 1200 N, το οποίο Επίδραση θερμοκρασίας δοκιμασίας κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης και προσδιορισμός αντοχής σε κόπωση της DLC επικάλυψης με στιβάδα συνάφειας τιτανίου Για τον προσδιορισμό της αντοχής σε κόπωση των επικαλύψεων υπό εξέταση και της επίδρασης της θερμοκρασίας σε αυτήν, διεξήχθησαν δοκιμές κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης σε διάφορα φορτία και επίπεδα θερμοκρασίας. Το μέγιστο πλήθος των κρούσεων κατά τις δοκιμές αυτές, το οποίο θεωρείται πως αντιστοιχεί στη συνεχή αντοχή σε κόπωση, ανήλθε σε Τα αποτυπώματα που προέκυψαν κατεγράφησαν μέσω SEM αναλύσεων. Σχήμα 7.15: Λόγος επιφάνειας αστοχίας FR στους 25 C για την επικάλυψη DLC-A. Το Σχήμα 7.15 περιλαμβάνει μικροφωτογραφίες αποτυπωμάτων κρουστικών ελέγχων 10 6 επαναλήψεων επί της DLC-A επικάλυψης υπό διάφορα φορτία σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και την εξέλιξη του λόγου αστοχίας FR ως προς τη δύναμη. Βάσει των αποτελεσμάτων, η συμπεριφορά υπό εξέταση επικάλυψης ως προς κόπωση εμφανίζεται επαρκής ως το φορτίο

93 7. Μελέτη επίδρασης θερμοκρασίας επί της συμπεριφοράς σε κόπωση PVD DLC επικαλύψεων μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης των 900 N. Ο λόγος αστοχίας FR υπερβαίνει το όριο του 5% μεταξύ των 900 και 1000 Ν, οριοθετώντας την αρχή της αστοχίας της επικάλυψης. Παρομοίως, για τον εντοπισμό του κρίσιμου φορτίου αστοχίας, εξετάστηκε η απόδοση της DLC- A επικάλυψης σε ανώτερες θερμοκρασίες στα επίπεδα θερμοκρασίας των 80, 120, 150, 200, 250, 300, 350 and 400 C σε επόμενες πειραματικές δοκιμές. Τα σχετικά αποτελέσματα περιλαμβάνονται στο Σχήμα 7.16, όπου οι διάφορες καμπύλες περιγράφουν την εξέλιξη του λόγου αστοχίας της επικάλυψης ως προς το μέγιστο φορτίο κρούσης στο αντίστοιχο επίπεδο θερμοκρασίας δοκιμής έπειτα από ένα εκατομμύριο κρούσεις. Η αύξηση της θερμοκρασίας φέρεται να επηρεάζει σημαντικά τη συμπεριφορά σε κόπωση της επικάλυψης. Η χειροτέρευση της δυναμικής αντοχής σε θερμοκρασίες άνω των 250 C εμφανίζεται δραματική, π.χ. η αρχική αστοχία του φιλμ λαμβάνει χώρα υπό πολύ μικρό φορτίο, συγκριτικά με την κατάσταση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Επιπροσθέτως, παρατηρείται η ανώμαλη συμπεριφορά της επικάλυψης στους 150 C, όπου τα αποτελέσματα κυμαίνονται στα ίδια επίπεδα με τα αντίστοιχα της θερμοκρασίας περιβάλλοντος. Αντίθετα, τόσο σε ανώτερα όσο και σε χαμηλότερα επίπεδα θερμοκρασίας δοκιμής, η αντοχή της επικάλυψης είναι συγκριτικά μειωμένη Επίδραση θερμοκρασίας δοκιμασίας κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης και προσδιορισμός αντοχής σε κόπωση της DLC επικάλυψης με στιβάδα συνάφειας χρωμίου Ακολουθώντας την ίδια μέθοδο, εξετάστηκαν δοκίμια με DLC-B επικάλυψη σε αντίστοιχες θερμοκρασίες. Στο διάγραμμα που περιλαμβάνει το Σχήμα 7.17 περιγράφεται το σύνολο των σχετικών αποτελεσμάτων σε επίπεδα θερμοκρασίας μεταξύ 20 και 400 C, σύμφωνα με τα οποία το κρίσιμο φορτίο αστοχίας σε θερμοκρασία περιβάλλοντος εντοπίζεται σαφώς υψηλότερα και ξεπερνάει τα 1800 N. Επιπλέον, η αύξηση της θερμοκρασίας ασκεί έντονη επίδραση επί της αντοχής της επικάλυψης σε κόπωση: σε θερμοκρασίες άνω των 80 C προκύπτει μία συνεχής χειροτέρευση της αντοχής της επικάλυψης. Σε αντίθεση με τη συμπεριφορά του DLC-A φιλμ, δεν ανιχνεύτηκε κάποιο τοπικό μέγιστο της δυναμικής αντοχής της DLC-B επικάλυψης με την αύξηση της θερμοκρασίας δοκιμής

94 7. Μελέτη επίδρασης θερμοκρασίας επί της συμπεριφοράς σε κόπωση PVD DLC επικαλύψεων μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης Σχήμα 7.16: Λόγος επιφάνειας αστοχίας FR σε διάφορες θερμοκρασίες για την επικάλυψη DLC-A. Το Σχήμα 7.18 περιγράφει συγκριτικά τα αποτελέσματα του κρουστικού δυναμικού φορτίου που απαιτείται ανάλογα με τη θερμοκρασία διεξαγωγής της δοκιμής για τη λήψη λόγου αστοχίας FR 5, 10 και 20% αντιστοίχως. Είναι προφανές πως η DLC-B επικάλυψη χαρακτηρίζεται από βελτιωμένη δυναμική συμπεριφορά σε θερμοκρασίες έως 150 C, ενώ οι δύο διαφορετικοί τύποι DLC φιλμ παρουσιάζουν παρόμοια απόδοση σε πιο ανώτερες θερμοκρασίες. Μια εξαίρεση στη γενική αυτή διαπίστωση αποτελεί η θέση τοπικού μέγιστου της δυναμικής αντοχής της DLC-A επικάλυψης στους 150 C, όπου και η αντοχή της προσεγγίζει το επίπεδο της σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Το διάγραμμα τύπου Wöhler της ισοδύναμης κατά von Mises τάσης που προκύπτει για τη DLC- B επικάλυψη ως προς τον αριθμό κρούσεων ως την αστοχία, το οποίο παρουσιάζεται στο Σχήμα 7.19, προσδιορίστηκε μέσω FEA προσομοίωσης της διαδικασίας κρούσης του σφαιρικού εισβολέα στο δοκίμιο. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς, η τάση συνεχούς αντοχής της επικάλυψης βρίσκεται στα 2.5 GPa για τη συγκεκριμένη επικάλυψη

95 7. Μελέτη επίδρασης θερμοκρασίας επί της συμπεριφοράς σε κόπωση PVD DLC επικαλύψεων μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης Σχήμα 7.17: Λόγος επιφάνειας αστοχίας FR σε διάφορες θερμοκρασίες για την επικάλυψη DLC-Β. Σχήμα 7.18: Φορτίο αστοχίας για λόγους επιφάνειας αστοχίας FR = 5, 10 και 20% σε διάφορες θερμοκρασίες

96 7. Μελέτη επίδρασης θερμοκρασίας επί της συμπεριφοράς σε κόπωση PVD DLC επικαλύψεων μέσω της διαδικασίας επαναλαμβανόμενης κρούσης Σχήμα 7.19: Διάγραμμα τύπου Wöhler αντοχής σε κόπωση της DLC-B επικάλυψης σε θερμοκρασία περιβάλλοντος

97 8. Διερεύνηση δυναμικής αντοχής κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου μέσω κρουστικής δοκιμασίας επί της κοπτικής ακμής τους 8. Διερεύνηση δυναμικής αντοχής κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου μέσω κρουστικής δοκιμασίας επί της κοπτικής ακμής τους 8.1. Εισαγωγή Η ανάπτυξη διαφόρων επιφανειακών επικαλύψεων επί κοπτικών εργαλείων έχει επιφέρει σημαντικές βελτιώσεις στη μεγιστοποίηση της διάρκειας ζωής των εν λόγω εργαλείων και έτσι έχει συναντήσει ευρεία αποδοχή και επιτυχία. Με σκοπό την καλύτερη αξιοποίηση και εκμετάλλευση αυτών των επιφανειακών βελτιώσεων, αντίστοιχη αναπτυξιακή πορεία έχει ακολουθηθεί από ικανά υλικά υποστρώματος. Υποστρώματα σκληρομετάλλου κοπτικών πλακιδίων έχουν δοκιμαστεί σε μεγάλο βαθμό για τον προσδιορισμό των φυσικών και μηχανικών τους ιδιοτήτων και την απόδοση τους σε διαδικασίες κοπής, με σκοπό την προώθηση των πιο υποσχόμενων και αποτελεσματικών μεθόδων περαιτέρω βελτίωσής τους. Παρόλο το μέγεθος της ερευνητικής προσπάθειας σε αυτήν την κατεύθυνση, η πλειοψηφία των έμμεσων δοκιμών, δηλαδή εξαιρούμενης της απευθείας χρήση τους σε πειραματικές διαδικασίες κοπής, έχει λάβει χώρα στην επιφάνεια αποβλίττου των πλακιδίων ενώ η ίδια η κοπτική ακμή έχει αμεληθεί. Στα πλαίσια της παρούσας ερευνητικής προσπάθειας παρουσιάζεται μία καινοτόμος μεθοδολογία που, σε συνδυασμό με προσομοιώσεις πεπερασμένων στοιχείων, επιτρέπει τον ταχύ προσδιορισμό της συμπεριφοράς κόπωσης του υλικού του υποστρώματος μέσω της κάθετης κρουστικής δοκιμασίας πλησίον των κοπτικών ακμών των πλακιδίων. Σχήμα 8.1: Σχηματικό διάγραμμα διαδικασίας

98 8. Διερεύνηση δυναμικής αντοχής κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου μέσω κρουστικής δοκιμασίας επί της κοπτικής ακμής τους Το σχηματικό διάγραμμα της συνολικής διαδικασίας παρουσιάζεται στο Σχήμα 8.1. Σημείο εκκίνησης και βασική προϋπόθεση αποτελεί η διεξαγωγή νανοδιεισδύσεων και ο υπολογιστικός προσδιορισμός των μηχανικών ιδιοτήτων των εξεταζόμενων υλικών. Τα δεδομένα που παράγονται σε αυτήν τη φάση χρησιμοποιούνται εν συνεχεία στις περαιτέρω FEM αναλύσεις της δοκιμασίας κρουστικού ελέγχου, όπου δίνονται επιπλέον ως δεδομένα εισόδου η απόσταση του άξονα του φορτίου από την κοπτική ακμή και το επιθυμητό βάθος διείσδυσης. Τα αναπτυσσόμενα πεδία τάσεων υπολογίζονται για κάθε περίπτωση και ενώ η επαναληπτική διαδικασία τερματίζει βάσει της δύναμης αντίδρασης του μοντέλου και της πειραματικής δύναμης έναρξης θραύσης Επίδραση μεγέθους κόκκων σκληρομετάλλου Στην παρούσα ενότητα, η συμπεριφορά της κοπτικής ακμής κοπτικών πλακιδίων διαφορετικού μεγέθους κόκκων ελέγχθηκε με το συνδυασμό πειραμάτων κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης στην επιφάνεια αποβλίττου πλακιδίων σκληρομετάλλου σε διάφορες αποστάσεις από την κοπτική τους ακμή και αντίστοιχων προσομοιώσεων της Μεθόδου των Πεπερασμένων Στοιχείων (Finite Element Method FEM). Εξετάστηκαν ακάλυπτα κοπτικά πλακίδια της ομάδας SPGN120308/ HW-K05-K20 και υπό τις κωδικές ονομασίες THM-Fine (λεπτόκοκκο) και THM- Ultrafine (υπερλεπτόκοκκο), ανάλογα με το μέγεθος των κόκκων τους. Η γωνία ελευθερίας είχε την τιμή 11 και η ακτίνα καμπυλότητας κοπτικής ακμής ήταν ίση με 5 μm για όλα τα δοκίμια. Η τοποθέτηση των δοκιμίων σε συγκεκριμένη απόσταση από τον κατακόρυφο άξονα του δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου και άρα τη διεύθυνση εφαρμογής του φορτίου πραγματοποιήθηκε μέσω κατάλληλης διαδικασίας, σύμφωνα με το υποκεφάλαιο και το Σχήμα Οι μηχανικές ιδιότητες των υποστρωμάτων υπό εξέταση προσδιορίστηκαν στη μορφή των καμπυλών τάσης-παραμόρφωσης μέσω της επεξεργασίας και της FEM προσομοίωσης διαδικασιών νανοδιείσδυσης. Επίσης, υπολογίστηκαν μέσω καταλλήλων μοντέλων τα προκύπτοντα πεδία τάσεων κατά τη διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης για τις επιφάνειες αποβλίττου και ελευθερίας των δοκιμίων. Αναπτύχθηκαν κατάλληλες ιδιοσυσκευές συγκράτησης που επιτρέπουν τη διεξαγωγή πειραμάτων κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης σε ορισμένη απόσταση από την κοπτική ακμή. Με το συνδυασμό των πειραματικών και των υπολογιστικών αποτελεσμάτων προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με τη δυναμική συμπεριφορά των εξεταζόμενων υποστρωμάτων

99 8. Διερεύνηση δυναμικής αντοχής κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου μέσω κρουστικής δοκιμασίας επί της κοπτικής ακμής τους Μηχανικές ιδιότητες υποστρώματος Νανοδιεισδύσεις με μέγιστο φορτίο 15 mn διεξήχθησαν στην επιφάνεια αποβλίττου των δοκιμίων υπό εξέταση, με ένα αδαμάντινο εισβολέα Berkovich (Σχήμα 8.2α). Μέσω των μεθοδολογιών που περιγράφονται στη βιβλιογραφία [80,81,82] προσδιορίστηκε ο καταστατικός νόμος υλικού για τα εξεταζόμενα υποστρώματα όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 8.2β. Ενδεικτικά, η υπολογισμένη τάση διαρροής του λεπτόκοκκου υποστρώματος ανέρχεται στα 420 GPa έχοντας μέτρο ελαστικότητας ίσο με 580 GPa. Σχήμα 8.2: α) Καμπύλη μέσου βάθους νανοδιεισδύσεων ως προς τη δύναμη διείσδυσης και β) τελικές καμπύλες ισοδύναμης τάσης-παραμόρφωσης για τα δοκίμια υπό εξέταση. Οι επιφάνειες αποβλίττου των δοκιμίων υπό εξέταση είχαν περάσει προπαρασκευαστικό στάδιο λείανσης και χαρακτηρίζονταν από παρόμοια τραχύτητα: Yπόστρωμα Λεπτόκοκκο Υπερλεπτόκοκκο R a [μm] R t [μm] R q [μm] Πίνακας 8.1: Επιφανειακή τραχύτητα δοκιμίων υπό εξέταση

100 8. Διερεύνηση δυναμικής αντοχής κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου μέσω κρουστικής δοκιμασίας επί της κοπτικής ακμής τους D και 3-D μοντέλo προσομοίωσης διείσδυσης σφαιρικού εισβολέα κρουστικής δοκιμής Στα πλαίσια αυτής της ερευνητικής εργασίας αναπτύχθηκε ένα τρισδιάστατο υπολογιστικό FEM [86], όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 8.3β. Για απλούστευση του μοντέλου και ελάττωση του απαιτούμενου χρόνου επίλυσης έγινε εκμετάλλευση της φυσικής συμμετρίας του μοντέλου. Εντός αυτού του μοντέλου έγινε χρήση κατάλληλων οριακών συνθηκών και στοιχείων επαφής στη διεπιφάνεια του εισβολέα και του δοκιμίου ενώ ελήφθη υπόψη η επιθυμητή ακρίβεια στην τοπική πυκνότητα του πλέγματος. Οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών όπως και το βάθος διείσδυσης αποτελούν τις μεταβλητές εισόδου και στα δύο υπολογιστικά μοντέλα. Για κάθε περίπτωση υποστρώματος εκτελέστηκε μια σειρά 3D προσομοιώσεων ανάλογα με τη σχετική απόσταση του εισβολέα από την κοπτική ακμή, που κυμαίνονταν από 0 έως 600 μm. Η πυκνότητα του πλέγματος του υποστρώματος στην περιοχή επαφής μεταφερόταν ανάλογα με τη θέση κάθε περίπτωσης διείσδυσης του σφαιρικού εισβολέα. Στο Σχήμα 8.3 περιλαμβάνεται το καθιερωμένο δισδιάστατο αξισυμμετρικό μοντέλο [83,84,87] και το ανεπτυγμένο τρισδιάστατο για την περίπτωση φόρτισης στην απόσταση 50 μm από την κοπτική ακμή. Η διαδικασία επίλυσης περιλαμβάνει τον υπολογισμό των τάσεων, παραμορφώσεων και αντιδράσεων στο υπόστρωμα για αυξανόμενο βάθος διείσδυσης του σφαιρικού εισβολέα. Σχήμα 8.3: α) Δισδιάστατο αξισυμμετρικό και β) τρισδιάστατο μοντέλο προσομοίωσης κρουστικής δοκιμασίας. Η ακρίβεια των αποτελεσμάτων του νέου τρισδιάστατου μοντέλου επαληθεύτηκε μέσω σύγκρισης των λαμβανόμενων αντιδράσεων και μεγίστων ισοδυνάμων κατά von Mises τάσεων για την περίπτωση της διείσδυσης του σφαιρικού εισβολέα σε βάθος 10 μm και σε απόσταση 600 μm από την κοπτική ακμή με τα αντίστοιχα του καθιερωμένου δισδιάστατου μοντέλου

101 8. Διερεύνηση δυναμικής αντοχής κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου μέσω κρουστικής δοκιμασίας επί της κοπτικής ακμής τους (Σχήμα 8.4). Η συγκεκριμένη απόσταση επιλέχθηκε επαρκώς μακριά με γνώμονα η γεωμετρία της κόψης να μην επηρεάζει τα αναπτυσσόμενα πεδία τάσεων. Σχήμα 8.4: Συγκριτικά αποτελέσματα 2D και 3D μοντέλου προσομοίωσης της διείσδυσης του σφαιρικού εισβολέα. Στα υπολογισμένα αποτελέσματα συμπεριλαμβάνονται μεταξύ άλλων οι ισοδύναμες κατά von Mises και κύριες τάσεις που αναπτύσσονται στο μοντέλο τόσο σε διανυσματική μορφή όσο και ως ισοτασικές καμπύλες για διάφορα βάθη διείσδυσης του σφαιρικού εισβολέα. Οι παραπάνω τιμές ελήφθησαν για το σύνολο του μοντέλου αλλά και τμηματικά για κάθε επιφάνεια του κοπτικού πλακιδίου, δηλαδή ονομαστικά για τις επιφάνειες ελευθερίας, αποβλίττου και του επιπέδου συμμετρίας. Η τραχύτητα της επιφάνειας ήταν τάξεις μεγέθους μικρότερη ως προς τον όγκο ελέγχου του προσομοιωτικού μοντέλου και δεν συμπεριελήφθη στους υπολογισμούς Αποτελέσματα πειραματικής και 3D-αναλυτικής διαδικασίας Με σκοπό τον προσδιορισμό των κατάλληλων πειραματικών συνθηκών εξετάστηκαν τα αναπτυσσόμενα πεδία τάσεων εντός του εκάστοτε υποστρώματος, όπως προέκυψαν από το τρισδιάστατο μοντέλο προσομοίωσης. Η συνεισφορά της γεωμετρίας της κοπτικής ακμής στη διαμόρφωση του πεδίου ισοδυνάμων τάσεων κατά von Mises τάσεων λόγω της διείσδυσης του σφαιρικού εισβολέα εντοπίστηκε να είναι σημαντική για μικρές αποστάσεις από την κοπτική ακμή και να μειώνεται δραστικά με την αύξηση της απόστασης, όπως περιγράφεται στο Σχήμα 8.5 για την προσομοίωση στα 0, 50 και 100 μm της διείσδυσης του σφαιρικού εισβολέα εντός του λεπτόκοκκου υποστρώματος. Συγκεκριμένα, σε μικρές αποστάσεις άσκησης του

102 8. Διερεύνηση δυναμικής αντοχής κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου μέσω κρουστικής δοκιμασίας επί της κοπτικής ακμής τους φορτίου, η κοπτική ακμή παραμορφώνεται καμπτικά ενώ όσο η φόρτιση απομακρύνεται από αυτήν, το πεδίο των τάσεων αντιστοιχεί σε καθαρή θλίψη. Σχήμα 8.5: Κατανομές ισοδύναμων τάσεων κατά von Mises για φορτίο κρούσης 100 N και τρεις αποστάσεις από την κοπτική ακμή για το λεπτόκοκκο υπόστρωμα. Σχήμα 8.6: Ποιοτική κατεύθυνση κυρίων τάσεων. Οι κατευθύνσεις των τριών κυρίων τάσεων που συνθέτουν την ισοδύναμη κατά von Mises επεξηγούνται σε διανυσματική μορφή στο Σχήμα 8.6 για την περίπτωση του λεπτόκοκκου υποστρώματος που υποβάλλεται σε φόρτιση 200 Ν σε απόσταση 100 μm από την κοπτική του ακμή. Η πειραματική διαδικασία περιέλαβε τη διεξαγωγή κρουστικών δοκιμασιών υπό διάφορα φορτία διάφορες αποστάσεις από την κοπτική ακμή. Ο εκάστοτε συνδυασμός ασκούμενου φορτίου και απόστασης κρούσης προσδιορίστηκε βάσει της υπολογισμένης μέγιστης ισοδύναμης τάσης που αναπτύσσεται στο δοκίμιο. Βάσει της ανωτέρω προσέγγισης, αστοχία παρατηρήθηκε σε περιπτώσεις φόρτισης πλησίον της ακμής, ενώ σε μεγαλύτερες αποστάσεις κρούσης δεν

103 8. Διερεύνηση δυναμικής αντοχής κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου μέσω κρουστικής δοκιμασίας επί της κοπτικής ακμής τους επήλθε θραύση υπό αντίστοιχες ισοδύναμες μέγιστες τάσεις, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 8.7 για το λεπτόκοκκο υπόστρωμα. Σχήμα 8.7: Υπολογισμένη δύναμη κρούσης για την ανάπτυξη ίδιας μέγιστης ισοδύναμης τάσης ως προς την απόσταση κρούσης από την ακμή και αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα. Για την κατανόηση αυτής της συμπεριφοράς, προσδιορίστηκαν οι μέγιστες κύριες τάσεις που αναπτύσσονται στο δοκίμιο για κάθε περίπτωση. Στο Σχήμα 8.8 παρουσιάζονται τα αντίστοιχα πεδία κυρίων και ισοδύναμης κατά von Mises τάσεων επί της επιφάνειας ελευθερίας (α) και του επιπέδου συμμετρίας (β) του μοντέλου για την κρίσιμη περίπτωση κρούσης σε απόσταση 100 μm στο λεπτόκοκκο υπόστρωμα. Υπό αυτές τις συνθήκες, η μέγιστη ισοδύναμη τάση επί της επιφάνειας ελευθερίας είναι ελάχιστα μικρότερη από την ολική μέγιστη ισοδύναμη τάση και φέρει ταυτόχρονα εφελκυστική κύρια σ 1, Αντίθετα, η μέγιστη ολική ισοδύναμη τάση ανιχνεύεται στο επίπεδο συμμετρίας, στην περιοχή υπό του εισβολέα, όπως προβλέπεται από τη θεωρία επαφής κατά Hertz [88]. Η σύνθεση της ισοδύναμης τάσης, αντίθετα με την επιφάνεια ελευθερίας, αποτελείται αποκλειστικά από θλιπτικές κύριες τάσεις. Αντίστοιχη συμπεριφορά ως προς το πεδίο τάσεων στην επιφάνεια συμμετρίας παρατηρείται στο Σχήμα 8.9, όπου περιλαμβάνονται οι αντίστοιχες πληροφορίες για την υποκρίσιμη περίπτωση κρούσης στην απόσταση 300 μm από την ακμή υπό ικανό φορτίο για την ανάπτυξη ίδιας ολικής μέγιστης ισοδύναμης τάσης ~5.3 GPa, αλλά χωρίς την πρόκληση πειραματικής αστοχίας

104 8. Διερεύνηση δυναμικής αντοχής κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου μέσω κρουστικής δοκιμασίας επί της κοπτικής ακμής τους Παρατηρείται στο ίδιο σχήμα επίσης πως η μέγιστη ισοδύναμη τάση επί της επιφάνειας ελευθερίας μεταβάλλεται σημαντικά με την απομάκρυνση του φορτίου από την κοπτική ακμή, σημειώνοντας πτώση κατά ~60%. Σημειώνεται ότι η κύρια τάση σ 3 λαμβάνει στο σύνολο των περιπτώσεων μόνο θλιπτικές τιμές, καθώς βρίσκεται στη διεύθυνση φόρτισης. Η ανωτέρω προσέγγιση εντοπίζει τις συνθήκες φόρτισης που οδηγούν σε δυναμική αστοχία της κοπτικής ακμής των δοκιμίων στο έντονο πεδίο τάσεων επί της επιφάνειας ελευθερίας, λόγω της εκεί ανάπτυξης ικανών εφελκυστικών συνιστωσών που ευνοούν την ανάπτυξη και μετάδοση μικρορωγμών εντός του υλικού. Σημειώνεται ότι έντονες εφελκυστικές κύριες τάσεις σ 1 δημιουργούνται επίσης στην εσωτερική περιοχή του αποτυπώματος επί της επιφάνειας αποβλίττου. Σε αυτήν την περίπτωση όμως μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι η φόρτιση στην εν λόγω εσωτερική περιοχή δεν οδηγεί σε αστοχία της κόψης, έπειτα από οπτική παρατήρηση της μορφολογίας της θέσης αστοχίας της ακμής των δοκιμίων (Σχήμα 8.7) [89,90]. Ποιοτικά παρόμοια τασική συμπεριφορά παρατηρήθηκε και για την περίπτωση του υπερλεπτόκοκκου υποστρώματος που μελετήθηκε, καθώς υπό παρόμοιες συνθήκες φόρτισης η κατανομή των τάσεων εξαρτάται από τα κοινά γεωμετρικά χαρακτηριστικά του μοντέλου. Το κρίσιμο φορτίο συνεχούς αντοχής υπό κρούση σε απόσταση 100 μm από την κοπτική για τα εξεταζόμενα υποστρώματα περιλαμβάνεται στο Σχήμα Η μείωση του μεγέθους των κόκκων (υπερλεπτόκοκκο) εμφανίζει σαφή υπεροχή έναντι της λεπτόκοκκου δομής ενώ επιβεβαιώνεται πειραματικά πως το μέγεθος της επιφανειακής τραχύτητας των δοκιμίων έχει αρνητική επίδραση στη δυναμική αντοχή τους, σε συμφωνία με τη βιβλιογραφία [25,91]

105 8. Διερεύνηση δυναμικής αντοχής κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου μέσω κρουστικής δοκιμασίας επί της κοπτικής ακμής τους Σχήμα 8.8: Ανάπτυξη τάσεων στην επιφάνεια (α) ελευθερίας και (β) συμμετρίας για απόσταση κρούσης 100 μm και μέγιστη ισοδύναμη τάση ίση με 5.4 GPa

106 8. Διερεύνηση δυναμικής αντοχής κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου μέσω κρουστικής δοκιμασίας επί της κοπτικής ακμής τους Σχήμα 8.9: Ανάπτυξη τάσεων στην επιφάνεια (α) ελευθερίας και (β) συμμετρίας για απόσταση κρούσης 300 μm και μέγιστη ισοδύναμη τάση ίση με 5.3 GPa

107 8. Διερεύνηση δυναμικής αντοχής κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου μέσω κρουστικής δοκιμασίας επί της κοπτικής ακμής τους Σχήμα 8.10: Μέγιστη πειραματική δύναμη διαρκούς αντοχής για κρούση σε απόσταση 100 μm από την κοπτική ακμή Πειραματική διερεύνηση επίδραση ανόπτησης στη δυναμική αντοχή των υποστρωμάτων Για τον πειραματικό προσδιορισμό της επίδρασης της ανόπτησης των υποστρωμάτων σε θερμοκρασίες επιλέχθηκαν λειασμένα και στιλβωμένα ακάλυπτα δοκίμια της ίδιας ομάδας υλικού Κ05-Κ20, λεπτόκοκκης μικροδομής και τετραγωνικής γεωμετρίας με την προηγούμενη δραστηριότητα. Η διαδικασία ανόπτησης τους διεξήχθη ελλείψει οξυγόνου υπό συνθήκες κενού σε διάφορα επίπεδα θερμοκρασίας για 4 h μέσω ενός κλιβάνου Centurion VPC, του εργαστηρίου Μεταλλογνωσίας του τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών Α.Π.Θ. [92]. Τόσο η διάρκεια όσο και η ένταση της ανόπτησης επιλέχθηκε σε αντιστοιχία με τις συνθήκες που επικρατούν κατά τη διάρκεια σύγχρονων τεχνικών εναπόθεσης επικαλύψεων, ώστε να διερευνηθεί η επίδραση των συνθηκών εναπόθεσης στο συγκεκριμένο υπόστρωμα. Με σκοπό την ελαχιστοποίηση της συνεισφοράς της επιφανειακής τραχύτητας στα πειραματικά αποτελέσματα η ανόπτηση και διεξαγωγή κρουστικών δοκιμών επικεντρώθηκε επί των στιλβωμένων δοκιμίων, ως λιγότερο επιρρεπών σε πρόωρη αστοχία λόγω αυξημένης τραχύτητας και αυξημένης αξιοπιστίας των πειραματικών αποτελεσμάτων

108 8. Διερεύνηση δυναμικής αντοχής κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου μέσω κρουστικής δοκιμασίας επί της κοπτικής ακμής τους Η επιφανειακή τραχύτητα του συνόλου των δοκιμίων καταγράφηκε μέσω συνεστιακής μικροσκοπίας (Πίνακας 8.2) και η μηχανικές τους ιδιότητες ανιχνεύτηκαν συγκριτικά μέσω νανοδιεισδύσεων με διεισδυτή αδαμάντινης πυραμίδας Berkovich υπό φορτίο 15 mn (Σχήμα 8.11) για κάθε περίπτωση. Το μέγιστο βάθος νανοδιείσδυσης έπειτα από τη διαδικασία ανόπτησης στους 850 C παρουσιάζει μία οριακή αύξηση συγκριτικά με τις υπόλοιπες περιπτώσεις, φτάνοντας τα 183 nm έναντι των υπολοίπων κατά προσέγγιση σταθερών τιμών nm αντίστοιχα. Επιφ. κατεργασία Στίλβωση και ανόπτηση Λείανση Υποστρώματος: C 750 C 800 C R a [μm] R t [μm] R q [μm] Πίνακας 8.2: Επιφανειακή τραχύτητα δοκιμίων. Σχήμα 8.11: Καμπύλες μέσου βάθους νανοδιείσδυσης πριν και έπειτα από τη διαδικασία ανόπτησης. Για τον προσδιορισμό του κρίσιμου φορτίου αστοχίας για κάθε επίπεδο ανόπτησης εκτελέστηκαν κρουστικές δοκιμασίες υπό διάφορα φορτία και 10 6 κρούσεις. Η απόσταση εφαρμογής της δύναμης από την κοπτική ακμή επιλέγει στην τιμή των 100 μm, βάσει της σημαντικής αλλά όχι υπερκρίσιμης αύξησης των τάσεων σε αυτήν την τιμή. Τα σχετικά αποτελέσματα περιλαμβάνονται στο Σχήμα 8.12, όπου παρατηρείται ότι, αντίθετα με τα αποτελέσματα σχετικά με την επίδραση στις μηχανικές ιδιότητες των δοκιμίων, το κρίσιμο φορτίο έχει συνεχώς φθίνουσα απόδοση με την αύξηση της θερμοκρασίας ανόπτησης

109 8. Διερεύνηση δυναμικής αντοχής κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου μέσω κρουστικής δοκιμασίας επί της κοπτικής ακμής τους Σχήμα 8.12: Πειραματικό φορτίο αστοχίας κρουστικής δοκιμασίας επί ως προς θερμοκρασία ανόπτησης. τη Βάσει της ανωτέρω συμπεριφοράς, μπορεί να θεωρηθεί πως η δοκιμασία νανοδιείσδυσης αντανακλά κυρίως τις μηχανικές ιδιότητες των καρβιδίων σκληρομετάλλου που απαρτίζουν σε συντριπτικό ποσοστό την εσωτερική δομή των δοκιμίων. Αντίθετα, η δυναμική συμπεριφορά σε χαμηλές θερμοκρασίες χαρακτηρίζεται από την ψαθυρή ρήξη του πλέγματος του σκληρομετάλλου [93,46], οδηγώντας στο συμπέρασμα πως αυτή είναι που επηρεάζεται σε μεγαλύτερο βαθμό από την εκάστοτε θερμική κατεργασία και ενδεχομένως υποδηλώνει μετασχηματισμό φάσης του συνδετικού ιστού Co από FCC σε πιο ψαθυρή δομή HCP λόγω της ανάπτυξης εντόνων πεδίων τάσης [48]

110 9. Χαρακτηρισμός της δυναμικής και συναφειακής αντοχής PVD επικαλύψεων επί κυματοειδών υδροδυναμικών εδράνων 9. Χαρακτηρισμός της δυναμικής και συναφειακής αντοχής PVD επικαλύψεων επί κυματοειδών υδροδυναμικών εδράνων Η απόδοση των εδράνων περιορίζεται από την τριβολογική συμπεριφορά των χαλύβδινων δακτυλίων τους, η οποία επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, όπως ταλαντώσεις, φορτία, ταχύτητα, λιπαντικό, ύπαρξη θραυσμάτων κ.α. Η θετική συνεισφορά λεπτών σκληρών επικαλύψεων επί των ενεργών επιφανειών των εδράνων στην απόδοση τους έχει επισημανθεί σε πλήθος περιπτώσεων [3,58,94,95,96]. Αντίστοιχα, καθώς η πρώιμη αστοχία της επικάλυψης ενδέχεται να μειώσει αισθητά τη διάρκεια ζωής ολόκληρου του εδράνου, η διερεύνηση της συνάφειας της με το υπόστρωμα και της αντοχής τους σε κόπωση κρίνεται ιδιαίτερης σημασίας, τόσο για τον προσδιορισμό της βέλτιστης επικάλυψης για κάθε εφαρμογή όσο και για τον ποιοτικό έλεγχο του τελικού εδράνου που προορίζεται για κρίσιμες εφαρμογές. Στην παρούσα ερευνητική ενότητα, η δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης αξιοποιήθηκε για την αξιολόγηση των ιδιοτήτων κόπωσης και συνάφειας ΤiC και DLC επικαλύψεων στις ενεργές επιφάνειες κυματοειδών υδροδυναμικών εδράνων. Η μεθοδολογία ελέγχου, μέσω του συνδυασμού πειραματικών και αναλυτικών αποτελεσμάτων, αποσκοπούσε στην αξιολόγηση της αντοχής τους και της ποιότητας της συνάφειας μεταξύ επικαλύψεων και υποστρώματος. Οι μηχανικές ιδιότητες των εφαρμοσμένων λεπτών επικαλύψεων και υποστρωμάτων, που χρησιμοποιήθηκαν στο σύνολο των προσομοιώσεων, εντοπίστηκαν βάσει νανοδιεισδύσεων και της κατάλληλης αξιολόγησης τους σύμφωνα με τον αλγόριθμο SSCUBONI [85,51] Γεωμετρικά και μηχανικά χαρακτηριστικά των δοκιμίων υπό εξέταση Εξετάστηκαν συνολικά τα εξής επικαλυμμένα δοκίμια: Πλήρη έδρανα (ζεύγος εσωτερικού και εξωτερικού δακτυλίου) με TiC επικάλυψη των ενεργών επιφανειών με τους κωδικούς #10, #12, #14, #16, Πλήρες έδρανο με DLC επικάλυψη και εσωτερικοί δακτύλιοι με τους κωδικούς #4, #20 και #22 αντίστοιχα. Η παραλαβή των δοκιμίων προς εξέταση έγινε σε δύο στάδια. Αρχικά ελήφθησαν και μελετήθηκαν τα έδρανα ΤiC #10, 12 και DLC #4 (ομάδα Α). Έπειτα από το χαρακτηρισμό των μηχανικών ιδιοτήτων τους, σύγκριση με σχετικά αποτελέσματα υπό ακραίες συνθήκες λειτουργίας στο κέντρο ερευνών Glenn Research Center, και επικοινωνία με τους κατασκευαστές για την αντιμετώπιση κρίσιμων παραμέτρων, παρελήφθησαν προς εξέταση τα υπόλοιπα δοκίμια (ομάδα Β), στα πλαίσια βελτίωσης της συμπεριφοράς των επικαλύψεων τους

111 9. Χαρακτηρισμός της δυναμικής και συναφειακής αντοχής PVD επικαλύψεων επί κυματοειδών υδροδυναμικών εδράνων Στην παρούσα ενότητα παρουσιάζεται συνολικά η μεθοδολογία που εφαρμόστηκε και τα συμπεράσματα που ελήφθησαν. Η γεωμετρία των δοκιμίων παρουσιάζεται στο Σχήμα 9.1. Ο σταθερός δακτύλιος έχει εφαρμογή ελεύθερης ολισθήσεως με το στροφέα, ενώ στο μεταξύ τους διάκενο κατά την κανονική λειτουργία διοχετεύεται λιπαντικό υπό επαρκή πίεση. Το υλικό του υποστρώματος είναι το κράμα χάλυβα με την κωδικοποίηση ΕΧ-53. Τα συγκεκριμένα έδρανα προορίζονται για χρήση στην κύρια άτρακτο ελικοφόρου οχήματος και στα πλαίσια σχετικής συνεργασίας με το ερευνητικό κέντρο Glenn Research Center (NASA), δοκιμάστηκε η απόδοσή τους σε διαδοχικούς κύκλους παύσης και επανεκκίνησης λειτουργίας σε αντίστοιχες εργαστηριακές συνθήκες σε ανεξάρτητα εξελιγμένο δοκιμαστήριο [97,44,98] στις εκεί εγκαταστάσεις και σε οριακές συνθήκες λειτουργίας δίχως λίπανση ως την αστοχία. Επίσης εξετάστηκε κατά πόσο η κρουστική δοκιμασία επηρεάζει ή επηρεάζεται από τις αντίστοιχες δοκιμές. Σημειώνεται πως τα έδρανα ΤiC #10, #12 και #14 είχαν περάσει αυτές τις δοκιμασίες ελέγχου και έφεραν περιφερικά ίχνη φθοράς πριν την παραλαβή στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας, ενώ τα υπόλοιπα ήταν σε άθικτη κατάσταση. Σχήμα 9.1: Γεωμετρία δακτυλίων υπό εξέταση και επιλεγμένες διαστάσεις (σε [mm]). Το πάχος των επικαλύψεων στους εσωτερικούς δακτυλίους προσδιορίστηκε μέσω της διαδικασίας κρατεροποίησης για τους ρότορες ενώ εμμέσως μέσω πλάγιας κρουστικής δοκιμασίας, μικροαπόξεσης και προφιλομέτρησης για τους εξωτερικούς δακτυλίους, λόγω

112 9. Χαρακτηρισμός της δυναμικής και συναφειακής αντοχής PVD επικαλύψεων επί κυματοειδών υδροδυναμικών εδράνων αδυναμίας οπτικής παρατήρησης στην εσωτερική κοίλη επιφάνεια ενώ ο Πίνακας 9.1 περιλαμβάνει τις αντίστοιχες αριθμητικές τιμές. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, τα TiC φιλμ είναι συστηματικά πιο λεπτά στους εξωτερικούς δακτυλίους από τα αντίστοιχα στα εσωτερικά, ενώ στις DLC επικαλύψεις δεν διακρίνεται η ίδια τάση. Μέση τιμή πάχους επικάλυψης t [μm] Επικάλυψη ΤiC DLC Κωδικός #10 #12 #14 #16 #4 #20 #22 Περιστρεφόμενοι δακτύλιοι Σταθεροί δακτύλιοι* X X *Καθορισμένα από μετρήσεις προφίλ αποτυπωμάτων δοκιμασίας πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης Πίνακας 9.1: Τιμές πάχους επικαλύψεων. Οι μηχανικές ιδιότητες των επικαλύψεων και του υποστρώματος προσδιορίστηκαν μέσω της αξιολόγησης νανοδιεισδύσεων. Οι νανοδιεισδύσεις πραγματοποιήθηκαν επί της προβολής του άξονα του εκάστοτε εσωτερικού δακτυλίου στο ανώτερο επίπεδο, όπου θεωρητικά προκύπτει οριζόντιο επίπεδο, και επί της επίπεδης επιφάνειας της περιφέρειας των δακτυλίων στην περίπτωση του υποστρώματος. Για να διασφαλιστεί η ακρίβεια αυτής της δοκιμασίας, η κάθε μέση καμπύλη προέκυψε ως μέσος όρος τουλάχιστον 30 μετρήσεων, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 9.2. Για τον περιορισμό της επίδρασης του υποστρώματος στην καμπύλη διείσδυσης, επιλέχθηκαν τα 15 mν ως μέγιστο φορτίο λαμβάνοντας υπόψη το εκάστοτε βάθος της επικάλυψης. Μέσω κατάλληλου αξισυμμετρικού μοντέλου προσομοίωσης και εφαρμογής του αλγορίθμου SSCUBONI [70] προσεγγίστηκαν οι καμπύλες ισοδύναμης τάσης παραμόρφωσης για κάθε εξεταζόμενο υλικό (Πίνακας 9.2 και Σχήμα 9.3). Λόγω της κλειστής γεωμετρίας του εξωτερικού δακτυλίου δεν κατέστη δυνατή η διεξαγωγή νανοδιεισδύσεων στην κοίλη επικαλυμμένη επιφάνεια και έγινε η παραδοχή πως οι ιδιότητες των επικαλύψεων των εσωτερικών και εξωτερικών δακτυλίων ταυτίζονται. Με αντίστοιχη μεθοδολογία προσδιορίστηκαν οι μηχανικές ιδιότητες του υποστρώματος EX-53 για κάθε δακτύλιο, όπως προβάλλεται στο Σχήμα 9.4 και στο Σχήμα 9.5. Η σκληρότητα του υποστρώματος στα ΤiC-επικαλυμμένα δοκίμια κυμάνθηκε μεταξύ ΗV ενώ των DLCεπικαλυμμένων μεταξύ ΗV. Η μείωση της σκληρότητας του υποστρώματος συνδέεται με φαινόμενα ανόπτησης κατά τη διαδικασία της εναπόθεσης του στρώματος της επικάλυψης. Συγκριτικά, το μέτρο ελαστικότητας στις TiC επικαλύψεις προκύπτει αρκετά χαμηλότερο από το αντίστοιχο των DLC φιλμ, όπως και οι υπόλοιπες μηχανικές ιδιότητες. Ως προς τα αντίστοιχα υποστρώματα, οι ΤiC επικαλύψεις εμφανίζουν αντίστοιχες ή χειρότερες μηχανικές ιδιότητες ως προς το υπόστρωμα, ενώ οι DLC στρώσεις υπερέχουν σημαντικά έναντι των αντίστοιχων

113 9. Χαρακτηρισμός της δυναμικής και συναφειακής αντοχής PVD επικαλύψεων επί κυματοειδών υδροδυναμικών εδράνων υποστρωμάτων τους. Οι προσδιορισμένες πλέον μηχανικές ιδιότητες χρησιμοποιήθηκαν σε περαιτέρω προσομοιώσεις με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων της δοκιμής επαναλαμβανόμενης κρούσης. Σχήμα 9.2: Καμπύλες μέσου βάθους νανοδιείσδυσης για τις εξεταζόμενες επικαλύψεις των εσωτερικών δακτυλίων. Επικάλυψη ΤiC ΤiC DLC DLC Κωδικός #10 #12 #14 #16 #4 #20 #22 Mέγιστο βάθος νανοδιείσδυσης [nm] (Βerkovich, 15 mn) Mέτρο ελαστικότητας Ε [GPa] Tάση διαρροής S y [GPa] Τάση θραύσης S max [GPa] Πίνακας 9.2: Χαρακτηριστικές τιμές μηχανικών ιδιοτήτων των εξεταζομένων επικαλύψεων. Σχήμα 9.3: Υπολογισμένες καμπύλες ισοδύναμης κατά Von Mises τάσης-παραμόρφωσης για τις επικαλύψεις υπό εξέταση

114 9. Χαρακτηρισμός της δυναμικής και συναφειακής αντοχής PVD επικαλύψεων επί κυματοειδών υδροδυναμικών εδράνων Σχήμα 9.4: Καμπύλες μέσου βάθους νανοδιείσδυσης για τα υποστρώματα υπό εξέταση. Σχήμα 9.5: Υπολογισμένες καμπύλες ισοδύναμης κατά Von Mises τάσης-παραμόρφωσης για τα υποστρώματα υπό εξέταση Πειραματικές δοκιμές κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης υπολογισμός διαρκούς αντοχής Στα πλαίσια της εν λόγω ερευνητικής εργασίας διεξήχθησαν δοκιμασίες κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης στους TiC- και DLC-επικαλυμμένους δακτυλίους για 10 6 επαναλήψεις υπό διάφορα φορτία. Τα προκύπτοντα αποτυπώματα κατεγράφησαν μέσω στέρεο-μικροσκοπίου ενώ τα βάθη τους μετρήθηκαν μέσω διαδοχικών τραχυμετρήσεων ή τρισδιάστατης οπτικής σάρωσης. Λόγω των διαστάσεων των δοκιμίων δεν ήταν δυνατή η EDX ανάλυση των αποτυπωμάτων για την επιβεβαίωση της απομάκρυνσης του φιλμ της επικάλυψης και αποκάλυψη του υποστρώματος. Αντί αυτού, πραγματοποιήθηκαν υπολογισμοί με πεπερασμένα στοιχεία, για να

115 9. Χαρακτηρισμός της δυναμικής και συναφειακής αντοχής PVD επικαλύψεων επί κυματοειδών υδροδυναμικών εδράνων καθοριστεί το σχήμα του αποτυπώματος στην πλαστική περιοχή σύμφωνα με κατάλληλο αξισυμμετρικό μοντέλο της διείσδυσης του σφαιρικού εισβολέα κατά τη διαδικασία κρούσης [31]. Αυτή η προσέγγιση εφαρμόστηκε στα δοκίμια της ομάδας Α, σύμφωνα με την οποία, αστοχία είχε επέλθει στην περίπτωση όπου το εκάστοτε μετρούμενο μέγιστο εναπομένον βάθος κρατήρα ξεπερνούσε το υπολογισμένο μέγιστο βάθος αποφόρτισης κατά τουλάχιστον το πάχος του στρώματος της επικάλυψης. Στο Σχήμα 9.6 παρουσιάζεται τo παραμορφωμένο προφίλ της επικάλυψης σε δύναμη 800 Ν και το εναπομένον μέγιστο βάθος του αποτυπώματος για ένα εύρος φορτίων από 0 ως 800 Ν. Η επαναφορά του υποστρώματος είναι πλήρης στην περίπτωση φορτίων μικρότερων των 100 Ν. Σχήμα 9.6: Υπολογισμένη γεωμετρία αποτυπώματος κατά τη φόρτιση και την αποφόρτιση, και μέγιστο εναπομένoν βάθος ως κριτήριο αστοχίας επικάλυψης. Για τον προσδιορισμό της αστοχίας των δοκιμίων της ομάδας Β εφαρμόστηκε μια ελαφρώς διαφορετική πειραματική προσέγγιση: διεξήχθησαν δοκιμές κάθετου κρουστικού ελέγχου για τον περιορισμένο αριθμό των κρούσεων και καταγράφηκε το μέγεθος του κάθε αποτυπώματος. Θεωρείται πως σε αυτόν τον αριθμό κρούσεων έχει παραμορφωθεί πλαστικά το υπόστρωμα χωρίς να έχει αστοχήσει η επικάλυψη λόγω κόπωσης για οποιοδήποτε φορτίο. Εν συνεχεία, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές κάθετης κρουστικής δοκιμασίας διάρκειας 10 6 κρούσεων υπό διάφορα φορτία. Σε αυτήν την περίπτωση, θεωρείται πως έχει επέλθει αστοχία λόγω κόπωσης όταν η μέση τιμή του μετρούμενου βάθους ξεπεράσει το αντίστοιχο της σύντομης πειραματικής διαδικασίας κατά τουλάχιστον το πάχος του φιλμ της επικάλυψης. Τα αυξανόμενα μέγιστα βάθη των αποτυπωμάτων ως προς τη δύναμη διείσδυσης περιλαμβάνονται στο Σχήμα 9.7 και για τις δύο διάρκειες των δοκιμών και τα δοκίμια TiC #14 και #16. Το κρίσιμο φορτίο, όπου επέρχεται αστοχία της επικάλυψης, προσδιορίστηκε στα 200 Ν και 450 Ν για τους εξεταζόμενους εξωτερικούς και εσωτερικούς δακτυλίους αντίστοιχα

116 9. Χαρακτηρισμός της δυναμικής και συναφειακής αντοχής PVD επικαλύψεων επί κυματοειδών υδροδυναμικών εδράνων Σχήμα 9.7: Μετρημένα βάθη πλαστικής παραμόρφωσης αποτυπώματος κάθετης δοκιμασίας έπειτα από 10 5 κρούσεις, που χρησιμοποιούνται ως αναφορά, και την τυπική διάρκεια των 10 6 κρούσεων για τους TiC-επικαλυμμένους δακτυλίους. Συνολικά, ο Πίνακας 9.3 περιλαμβάνει τα ελάχιστα φορτία στα οποία επήλθε αστοχία της εκάστοτε επικάλυψης. Εν συνεχεία, μέσω του προσομοιωτικού μοντέλου υπολογίστηκε η κρίσιμη ισοδύναμη τάση αστοχίας για κάθε επικάλυψη, η οποία αποτελεί την οριακή τάση συνεχούς αντοχής σε κόπωση, σύμφωνα με τα αντίστοιχα διαγράμματα Smith και Wöhler. To Σχήμα 9.8 περιλαμβάνει ενδεικτικά τα αντίστοιχα διαγράμματα για την περίπτωση του εξωτερικού, σταθερού δακτυλίου TiC #16 ενώ ο Πίνακας 9.4 παρουσιάζει τις χαρακτηριστικές τιμές ισοδύναμης κατά von Mises τάσης συνεχούς αντοχής σε κόπωση για κάθε περίπτωση υπό εξέταση. Κρίσιμη δύναμη αστοχίας επικάλυψης F crit [N] Επικάλυψη ΤiC DLC Κωδικός #10 #12 #14 #16 #4 #20 #22 Περιστρεφόμενοι δακτύλιοι Σταθεροί δακτύλιοι* X X Πίνακας 9.3: Kρίσιμα φορτία αστοχίας για τις επικαλύψεις υπό εξέταση. Σχήμα 9.8: Διάγραμμα Smith και Wöhler για τον εσωτερικό δακτύλιο ΤiC #

117 9. Χαρακτηρισμός της δυναμικής και συναφειακής αντοχής PVD επικαλύψεων επί κυματοειδών υδροδυναμικών εδράνων Κρίσιμη ισοδύναμη τάση κόπωσης επικάλυψης σ crit [GPa] (κατά Von Mises) Επικάλυψη ΤiC DLC Κωδικός #10 #12 #14 #16 #4 #20 #22 Eσωτερικοί δακτύλιοι Eξωτερικοί δακτύλιοι* X X Πίνακας 9.4: Kρίσιμες ισοδύναμες κατά von Mises τάσεις αστοχίας για τις επικαλύψεις υπό εξέταση Πειραματικές δοκιμές πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης ποσοτικοποίηση συνάφειας επικάλυψης - υποστρώματος. Με σκοπό τον προσδιορισμό της ποιότητας της συνάφειας μεταξύ επικαλύψεων και υποστρώματος εκτελέστηκαν πλάγιες κρουστικές δοκιμασίες. Λόγω του μικρού συντελεστή τριβής της στιλβωμένης κυλινδρικής επιφάνειας των εδράνων, επιλέχθηκε γωνία κλίσης εφαρμογής του κρουστικού φορτίου των πειραμάτων ίση με 10. Το μέγεθος της δύναμης κρούσης διατηρήθηκε σε υποκρίσιμα επίπεδα σύμφωνα με αντίστοιχους υπολογισμούς της διαδικασίας κρούσης και έλαβε τιμές μεταξύ τριών επιπέδων δύναμης των 25, 50, 75 και 100 Ν κατά περίπτωση. Υπό αυτές τα φορτία, βάσει FEM υπολογισμών, η πλαστική παραμόρφωση του υποστρώματος είτε είχε μηδενική τιμή ή ήταν της τάξης των δεκάτων του [mm], οπότε και ελήφθη υπόψη στην αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Ο μέγιστος αριθμός κρούσεων κυμάνθηκε από 10 5 ως 5x10 5 ή 10 6 κρούσεις, επίσης κατά περίπτωση. Για τη διασφάλιση της αξιοπιστίας των αποτελεσμάτων ελήφθησαν πολλαπλές μετρήσεις σε κάθε επίπεδο δύναμης και αριθμού κρούσεων και εξήχθησαν συμπεράσματα επί του μέσου όρου. Με αυτήν τη μεθοδολογία εφαρμόστηκαν κρουστικά φορτία 25 και 50 Ν στα ΤiC επικαλυμμένα δοκίμια #10, 12 ενώ 50Ν και 100Ν στους εξωτερικούς και τους εσωτερικούς δακτυλίους αντίστοιχα των δοκιμίων ΤiC #14, 16. Ενδεικτικά πειραματικά αποτελέσματα περιλαμβάνονται στο Σχήμα 9.9, για την περίπτωση των εξωτερικών δακτυλίων με ΤiC επικάλυψη #14 και #16, οι οποίοι αστόχησαν έπειτα από και κρούσεις αντίστοιχα υπό φορτίο 50 N. Με εφαρμογή της ίδιας μεθοδολογίας ανιχνεύτηκαν τα κρίσιμα φορτία πλάγιας κρουστικής δοκιμασίας και αριθμοί κρούσεων για τους υπόλοιπους δακτυλίους, (Πίνακας 9.5). Σημειώνεται πως στην περίπτωση των ΤiC-επικαλυμμένων εσωτερικών δακτυλίων #10 και #12 διεξήχθησαν επιπλέον πειράματα με το υποκρίσιμο φορτίο των 25 N και δεν παρατηρήθηκε οποιαδήποτε αστοχία του επιφανειακού φιλμ έπειτα από 10 6 κρούσεις. Αντίθετα, στο σύνολο των εξωτερικών δακτυλίων των ίδιων ομάδων (#10 και #12) διεξήχθησαν πλάγιες δοκιμές υπό φορτίο 50 N για ως κρούσεις και η επικάλυψη αστόχησε σε κάθε περίπτωση

118 9. Χαρακτηρισμός της δυναμικής και συναφειακής αντοχής PVD επικαλύψεων επί κυματοειδών υδροδυναμικών εδράνων Σχήμα 9.9: Μικροφωτογραφίες αποτυπωμάτων πλάγιας κρουστικής δοκιμασίας στα ΤiC επικαλυμμένα δοκίμια #14 και #16 και αντίστοιχα προφίλ

119 9. Χαρακτηρισμός της δυναμικής και συναφειακής αντοχής PVD επικαλύψεων επί κυματοειδών υδροδυναμικών εδράνων Κρίσιμο φορτίο [Ν] / αριθμός κρούσεων αστοχίας (x10 3 ) κατά την πλάγια κρουστική δοκιμασία Επικάλυψη ΤiC DLC Κωδικός #10 #12 #14 #16 #4 #20 #22 Περιστρεφόμενοι δακτύλιοι 50/300 >50/ / /300 50/300 75/300 75/300 Σταθεροί δακτύλιοι 25/500 25/500 50/300 50/400 50/100 X X Πίνακας 9.5: Τιμές κρίσιμου φορτίου και αριθμού κρούσεων ως την αστοχία κατά την πλάγια κρουστική δοκιμασία. Η διαδικασία εκτίμησης του πάχους της επικάλυψης ήρθε ως απόρροια των συγκεκριμένων πειραματικών αποτελεσμάτων. Συγκεκριμένα, έπειτα από ένα αριθμό κρούσεων υπό φορτίο μικρής τιμής, αλλά ικανό για τη δημιουργία μόνιμου αποτυπώματος, παρατηρήθηκε πως το βάθος του αποτυπώματος σταθεροποιούνταν σε κάποιο επίπεδο για οποιοδήποτε αριθμό κρούσεων. Σχετικά αποτελέσματα προβάλλονται στο Σχήμα 9.10, όπου περιλαμβάνονται οι μετρήσεις του μεγίστου βάθους αποτυπώματος για 5 αυξανόμενους αριθμούς κρούσεων υπό το ίδιο φορτίο. Οι εκάστοτε μετρήσεις περιγράφονται ικανοποιητικά από την κατανομή Weibull, στη μέση τιμή των οποίων θεωρείται πως βρίσκεται η τιμή του πάχους του στρώματος της επικάλυψης υπό εξέταση. Σχήμα 9.10: Μέσα βάθη αποτυπώματος και αντίστοιχη κατανομή Weibull για τους εξωτερικούς δακτυλίους ΤiC #10 και #12. Η ποσοτικοποίηση και αξιολόγηση της συνάφειας του στρώματος της επικάλυψης διεξήχθη σύμφωνα με τη μεθοδολογία που περιγράφεται ενδελεχώς στη βιβλιογραφία [32,12]. Η αρχή στην οποία βασίζεται η συγκεκριμένη προσέγγιση είναι το γεγονός πως οι επικαλύψεις κακής συνάφειας φορτίζονται πιο έντονα ως προς τις επικαλύψεις με υψηλή συνάφεια με το υπόστρωμα, όταν ασκηθούν πάνω τους φορτία με εφαπτομενική συνιστώσα. Μέσω κατάλληλου υπολογιστικού μοντέλου [12] υπολογίστηκε η μέγιστη ισοδύναμη κατά von Mises τάση που αναπτύσσεται στην επικάλυψη για διάφορους λόγους στιβαρότητας επαφής CSR από 1 ως

120 9. Χαρακτηρισμός της δυναμικής και συναφειακής αντοχής PVD επικαλύψεων επί κυματοειδών υδροδυναμικών εδράνων Λαμβάνοντας υπόψη το φορτίο και το πλήθος των κρούσεων ως την αστοχία υπό φορτίο υπό κλίση και τα διαγράμματα Wöhler, προσδιορίστηκε για κάθε επικάλυψη ο λόγος στιβαρότητας της διεπιφάνειας της, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 9.11 για τα TiC-επικαλυμμένα δοκίμια #10 και #12. Όπως διακρίνεται στα εν λόγω διαγράμματα, η αύξηση της ισοδύναμης τάσης αστοχίας λόγω της φτωχής συνάφειας είναι έντονη. Σε πλήρη αντιστοιχία, εξάγονται συμπεράσματα σχετικά με την ποιότητα της συνάφειας μεταξύ επικάλυψης και υποστρώματος για τις υπόλοιπες περιπτώσεις, όπως περιλαμβάνει ο Πίνακας 9.6. Σχήμα 9.11: Προσδιορισμός του λόγου στιβαρότητας επαφής για τις TiC επικαλύψεις των δοκιμίων #10 και #12, λαμβάνοντας υπόψη τον αριθμό κρούσεων στην αρχή της αστοχίας της επικάλυψης. Λόγος στιβαρότητας CSR Επικάλυψη ΤiC DLC Κωδικός #10 #12 #14 #16 #4 #20 #22 Περιστρεφόμενοι δακτύλιοι 5x x x x x10-1 6x10-2 4x10-2 Σταθεροί δακτύλιοι 1x x10-3 4x10-3 8x x10-3 X X Πίνακας 9.6: Υπολογισμένες τιμές CSR για το σύνολο των δοκιμίων υπό εξέταση. Με την ολοκλήρωση της διαδικασίας χαρακτηρισμού των ιδιοτήτων κόπωσης και συνάφειας των επικαλυμμένων δοκιμίων, τα έδρανα ΤiC #16 υποβλήθηκαν σε 1000 επαναλήψεις εκκίνησης και παύσης λειτουργίας και μετέπειτα σε δοκιμαστική λειτουργία απουσία λιπαντικού μέσου. Τα σχετικά αποτελέσματα έδειξαν ότι η σημειακή φθορά της επικάλυψης εξαιτίας των προηγουμένων κρουστικών δοκιμασιών αφήνει ανεπηρέαστη τη μετέπειτα λειτουργία του

121 9. Χαρακτηρισμός της δυναμικής και συναφειακής αντοχής PVD επικαλύψεων επί κυματοειδών υδροδυναμικών εδράνων εδράνου, το οποίο παρουσιάζει ιδιαίτερα αυξημένη διάρκεια ζωής υπό ακραίες συνθήκες λειτουργίας [98]

122 10. Εφαρμογή δοκιμαστηρίου θέρμανσης συμπίεσης Φαινόμενα οξείδωσης και διάχυσης στη διεπιφάνεια διαφόρων PVD επικαλύψεων και σκληρομετάλλου 10. Εφαρμογή δοκιμαστηρίου θέρμανσης συμπίεσης Φαινόμενα οξείδωσης και διάχυσης στη διεπιφάνεια διαφόρων PVD επικαλύψεων και σκληρομετάλλου Εισαγωγή Οι διαδικασίες αφαίρεσης υλικού με υψηλές ταχύτητες κοπής συνήθως συνοδεύονται από την ανάπτυξη εντόνων θερμοκρασιακών πεδίων στην επιφάνεια επαφής κοπτικού εργαλείου και κατεργαζόμενου τεμαχίου [99,100]. Σε τόσο υψηλές θερμοκρασίες, η έναρξη φαινομένων διάχυσης δύναται να λάβει χώρα, υπό τη μορφή μετακίνησης χημικών στοιχείων από το τεμάχιο στην επικάλυψη του κοπτικού εργαλείου ή από το ίδιο το υπόστρωμα του και αντιθέτως [101,102,103,104]. Επιπλέον, ενεργοποιούνται μηχανισμοί επιφανειακής οξείδωσης, γεγονός το οποίο επηρεάζει τη χημική σύσταση της επικάλυψης και επιδεινώνει τις μηχανικές της ιδιότητες [104]. Για την πειραματική αξιολόγηση διαφόρων επικαλύψεων, ως προς τη συμπεριφορά τους σχετικά με φαινόμενα διάχυσης και οξείδωσης σε συνθήκες παραπλήσιες με αυτές που διαμορφώνονται κατά διαδικασίες κοπής υψηλών ταχυτήτων, αναπτύχθηκε μια κατάλληλη πειραματική διάταξη. Για μια ρεαλιστική προσέγγιση διακοπτόμενων διαδικασιών αφαίρεσης υλικού, ορίστηκαν συνθήκες περιοδικής επαφής μεταξύ των επικαλυμμένων δοκιμίων (τυποποιημένων κοπτικών πλακιδίων) και των συμπληρωματικών δοκιμίων από επιβελτιωμένο χάλυβα, με σκοπό την προσέγγιση της αλλαγής της επιφανειακής πίεσης κατά το περιφερειακό φρεζάρισμα και επιπλέον για την αποφυγή δημιουργίας μικροσυγκολλήσεων. Στις εν λόγω ερευνητικές εργασίες εξετάστηκαν επικαλύψεις των οικογενειών Ti 1-x Al x N και Ti x Si 1- xn, με υψηλή σκληρότητα και βελτιωμένη χημική ευστάθεια σε υψηλές θερμοκρασίες και αντοχή σε οξείδωση [105]. Συγκεκριμένα, οι PVD επικαλύψεις που χρησιμοποιήθηκαν ήταν οι Ti 35 Al 65 N, Ti 46 Al 54 N και μια διστρωματική Ti 46 Al 54 N/Ti 90 Si 10 N (κάτω/άνω στρώμα) επί κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου, ταξινομημένα κατά ISO στην ομάδα K05-K20. Η εναπόθεση των συγκεκριμένων επικαλύψεων διεξήχθη μέσω της μεθόδου High Ionization Sputtering and High Ionization Pulsing (HIS/HIP) μέσω της διάταξης CEMECON CC800/9 [106,107,108]. Το πάχος του εκάστοτε φιλμ προσδιορίστηκε μέσω κρατεροποίησης στα 3.5 μm, 3.5 μm και 1.8/1.8 μm αντιστοίχως. Εν συνεχεία, τα επικαλυμμένα δοκίμια θερμάνθηκαν ως τους 800 C, όπου η έναρξη φαινόμενων διάχυσης και οξείδωσης είναι δυνατή. Τα επικαλυμμένα δοκίμια υποβλήθηκαν σε περιοδική επαφή με χαλύβδινα συμπληρωματικά τεμάχια από 42CrMo4 QT. Επιπλέον, δοκιμές νανοδιεισδύσεων εκτελέστηκαν στην επιφάνεια των επικαλύψεων πριν και μετά την πειραματική διαδικασία, για τον προσδιορισμό αλλαγών στις μηχανικές ιδιότητές τους. Μετρήσεις με Σαρωτική Οπτική Μικροσκοπία και EDX χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό μεταβολών της χημικής σύστασης της επιφάνειας επαφής των δοκιμασμένων πλακιδίων

123 10. Εφαρμογή δοκιμαστηρίου θέρμανσης συμπίεσης Φαινόμενα οξείδωσης και διάχυσης στη διεπιφάνεια διαφόρων PVD επικαλύψεων και σκληρομετάλλου Πειραματική διαδικασία Τα σχετικά πειράματα που πραγματοποιήθηκαν με την εν λόγω διάταξη συμπεριλαμβάνουν τη θέρμανση υπό συνθήκες περιοδικής επαφής επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων, με επικαλύψεις των οικογενειών Ti 1-x Al x N και Ti x Si 1-x N, με υψηλή σκληρότητα και βελτιωμένη χημική ευστάθεια σε υψηλές θερμοκρασίες και αντοχή σε οξείδωση [105,109]. Οι δοκιμασίες διεξήχθησαν στη θερμοκρασία θέρμανσης των 800 C και υπό κοινό φορτίο επαφής των 1000 N. Κατανέμονται σε διαφορετικές ομάδες με κριτήριο το είδος της επικάλυψης και το συνολικό χρόνο επαφής. Επίσης, εξετάστηκε η επίδραση της περιεκτικότητας οξυγόνου στο εσωτερικό του θαλάμου και με αυτόν τον τρόπο και η συνεισφορά της οξείδωσης κατά τη διάρκεια της δοκιμασίας. Οι PVD επικαλύψεις που εξετάστηκαν ήταν μονοστρωματικές με τις ακόλουθες χημικές συστάσεις Ti 35 Al 65 N, Ti 46 Al 54 N και μια διστρωματική Ti 46 Al 54 N/Ti 90 Si 10 N (κατώτερο/ανώτερο στρώμα) επί κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου, ταξινομημένων κατά ISO στην ομάδα K05- K20. Η εναπόθεση των συγκεκριμένων επικαλύψεων διεξήχθη μέσω της μεθόδου High Ionization Sputtering and High Ionization Pulsing (HIS/HIP) και της διάταξης CEMECON CC800/9 [108]. Το πάχος του εκάστοτε φιλμ προσδιορίστηκε μέσω κρατεροποίησης στα 3.5 μm, 3.5 μm και 1.8/1.8 μm αντιστοίχως. Εν συνεχεία, τα επικαλυμμένα δοκίμια θερμάνθηκαν στην επιθυμητή θερμοκρασία, όπου η έναρξη φαινόμενων διάχυσης και οξείδωσης είναι δυνατή. Τα επικαλυμμένα δοκίμια υποβλήθηκαν σε περιοδική επαφή με χαλύβδινα συμπληρωματικά τεμάχια από 42CrMo4 QT. Επιπλέον, δοκιμές νανοδιεισδύσεων εκτελέστηκαν στην επιφάνεια των επικαλύψεων πριν και μετά την πειραματική διαδικασία, για τον προσδιορισμό αλλαγών στις μηχανικές ιδιότητές τους. Μετρήσεις με Σαρωτική Οπτική Μικροσκοπία (Scanning Electron Microscopy, SEM) και Μικροφασματική Ανάλυση με ακτίνες Χ (Energy Dispersive X-ray spectroscopy, EDX) χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό μεταβολών της χημικής σύστασης της επιφάνειας επαφής των δοκιμασμένων πλακιδίων. Η κρυσταλλική δομή των εξεταζομένων Ti 1-x Al x N επικαλύψεων στους 800 C αποτελείται από δύο διακριτές φάσεις, την κυβική δομή (Β1) (Ti,Al)N και την εξαγωνική (Β4) δομή (Al,Ti)N, σύμφωνα με το διάγραμμα φάσεων του συστήματος TiN-AlN [107]. Στις εν λόγω ερευνητικές προσπάθειες, τα επίπεδα οξυγόνου περιοριζόταν μεταξύ 3,2 και 3,6 % κ.ο. για ολόκληρη τη διάρκεια της δοκιμής, μέσω της εισαγωγής ικανής ποσότητας αργού αερίου στο θάλαμο και αντικατάστασης του περιεχομένου οξυγόνου

124 10. Εφαρμογή δοκιμαστηρίου θέρμανσης συμπίεσης Φαινόμενα οξείδωσης και διάχυσης στη διεπιφάνεια διαφόρων PVD επικαλύψεων και σκληρομετάλλου Για την επίτευξη ομοιόμορφης κατανομής πίεσης κατά την επαφή, η επιφάνεια του συμπληρωματικού δοκιμίου από επιβελτιωμένο χάλυβα υποβλήθηκε σε διαδικασία λείανσης. Το μέγεθος της πίεσης κατά την πλήρη επαφή ανήλθε σε 0.1 GPa, βάσει των διαστάσεων της διεπιφάνειας επαφής και μιας εφαρμοζόμενης κάθετης δύναμης 1000 N. Λόγω της υψηλής θερμοκρασίας των 800 C κατά τις δοκιμές, η ακμή του συμπληρωματικού δοκιμίου παρουσίαζε οριακά πλαστική παραμόρφωση ενώ διατηρούσε πλήρως την υπόλοιπη γεωμετρία του. Για την αποφυγή εμφάνισης μικροσυγκολλήσεων, η εφαρμοζόμενη πίεση διακοπτόταν έπειτα από 60 s επαφής ενώ ακολουθούσε η απομάκρυνση του χαλύβδινου δοκιμίου από το επικαλυμμένο πλακίδιο για 5 s κατά προσέγγιση. Κατά τη διάρκεια αυτής της διακοπής, η απόσταση των δύο επιφανειών έφτανε κατά προσέγγιση τα 4 mm. Η ολοκλήρωση της πειραματικής διαδικασίας πραγματοποιούνταν όταν η αθροιστική διάρκεια επαφής έφτανε την επιθυμητή, πχ. 60 min, όπως είχε ορίσει ο χρήστης, χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η συνολική διάρκεια ελλείψει επαφής. Για τον προσδιορισμό της χημικής σύστασης της επικάλυψης σε διαφορετικές θέσεις έπειτα από την πειραματική διαδικασία, αξιοποιήθηκε η μέθοδος των μικροφασματικών αναλύσεων με ακτίνες Χ. Η προετοιμασία των δοκιμίων συμπεριελάμβανε την τομή των επικαλυμμένων πλακιδίων κατά μήκος της επιφάνειας επαφής τους με τα χαλύβδινα εξαρτήματα, για την καταγραφή της στοιχειομετρικής κατανομής τους κάθετα της εξωτερική επιφάνεια και κατά μήκος της τομής, όπως εξηγείται στο άνω κεντρικό τμήμα από το Σχήμα Η ακτίνα σάρωσης κινείται πάνω στο επίπεδο OES και φέρει κλίση περίπου 11 μοιρών σε σχέση με το διάνυσμα OE, όπως παρουσιάζεται στο ίδιο σκαρίφημα. Αυτή η γωνία κλίσης επιτρέπει την επαρκή οπτικοποίηση της επιφάνειας της επικάλυψης, κατά μήκος τόσο της τομής της όσο και του υποστρώματος, κατά τη διαδικασία της γραμμικής EDX ανάλυσης. Επιπλέον, διεξήχθησαν αντίστοιχες EDX αναλύσεις ως προς τη χημική σύσταση στην επιφάνεια επαφής των ακραίων τμημάτων των συμπληρωματικών χαλύβδινων δοκιμίων που βρίσκονταν σε επαφή με το εκάστοτε δοκίμιο Συγκριτικές αναλύσεις EDX Τα αποτελέσματα των γραμμικών EDX αναλύσεων για κάθε επικάλυψη υπό εξέταση παρουσιάζονται στο Σχήμα 10.1, το Σχήμα 10.2 και το Σχήμα 10.3 και παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τη συγκέντρωση των εντοπιζόμενων στοιχείων κατά μήκος της γραμμικής διαδρομής της ανάλυσης, συνολικού μήκους 10 μm. Η απότομη μείωση της καταμέτρησης εντοπίσεων Al και Ti στοιχείων και η ταυτόχρονη αύξηση των στοιχείων της επικάλυψης W and Co, κατά την κατεύθυνση της μέτρησης, υποδεικνύουν τη μετάβαση στο υπόστρωμα

125 10. Εφαρμογή δοκιμαστηρίου θέρμανσης συμπίεσης Φαινόμενα οξείδωσης και διάχυσης στη διεπιφάνεια διαφόρων PVD επικαλύψεων και σκληρομετάλλου Σχήμα 10.1: Η χημική ανάλυση της επικάλυψης Ti 35 Al 65 N μέσω γραμμικής EDX ανάλυσης. Σχήμα 10.2: Η χημική ανάλυση της επικάλυψης Ti46Al54N μέσω γραμμικής EDX ανάλυσης

126 10. Εφαρμογή δοκιμαστηρίου θέρμανσης συμπίεσης Φαινόμενα οξείδωσης και διάχυσης στη διεπιφάνεια διαφόρων PVD επικαλύψεων και σκληρομετάλλου Σχήμα 10.3: Η χημική ανάλυση της επικάλυψης Ti 46 Al 54 N/Ti 90 Si 10 N μέσω γραμμικής EDX ανάλυσης. Στο σύνολο των αναλύσεων σε τομές των πλακιδίων δεν ανιχνεύτηκαν στοιχεία των χαλύβδινων συμπληρωματικών δοκιμίων. Αντιθέτως, χαμηλές συγκεντρώσεις Fe, Cr και Mo εντοπίστηκαν οριακά μέσω σημειακών EDX αναλύσεων στην επιφάνεια των επικαλύψεων. Επιπλέον, χαμηλά επίπεδα O 2 παρατηρήθηκαν στην επιφάνεια των επικαλυμμένων πλακιδίων έπειτα από την ολοκλήρωση των πειραμάτων, υποδηλώνοντας ότι μηχανισμοί οξείδωσης ήταν ενεργοί κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας. Οι προκύπτουσες συγκεντρώσεις των στοιχείων στην επιφάνεια επαφής της άκρης του χαλύβδινου στελέχους επαφής ανιχνεύτηκαν μέσω εύρεσης της μέσης τιμής έπειτα από επιφανειακή EDX ανάλυση (βλέπε Σχήμα 10.4). Οι συγκεντρώσεις Fe και Al μπορούν να θεωρηθούν γενικά σταθερές, ενώ παρατηρείται μια τάση αύξησης της περιεκτικότητας του αλουμινίου σε σχέση με τη συνολική διάρκεια επαφής στην περίπτωση του Ti 35 Al 65 N φιλμ. Λαμβάνοντας υπόψη πως η θερμοκρασία των 800 C είναι αρκετή για την ενεργοποίηση μηχανισμών διάχυσης, δεν ανιχνεύτηκε κάποιο από τα στοιχεία του 42CrMo4 χάλυβα σε σημαντική ποσότητα στην επιφάνεια της εκάστοτε επικάλυψης. Οι περιεκτικότητες οξυγόνου, όπως μετρήθηκαν κυρίως στην επιφάνεια των επικαλύψεων, δείχνουν ότι δημιουργούνται οξείδια του αλουμινίου, στις περιπτώσεις του Ti 1-x Al x N φιλμ [104,110], και οξείδια του τιτανίου

127 10. Εφαρμογή δοκιμαστηρίου θέρμανσης συμπίεσης Φαινόμενα οξείδωσης και διάχυσης στη διεπιφάνεια διαφόρων PVD επικαλύψεων και σκληρομετάλλου και του πυριτίου, όταν ελέγχεται μια διστρωματική Ti 46 Al 54 N/Ti 90 Si 10 N επικάλυψη [110]. Η ταχεία ανάπτυξη των τελευταίων στρωμάτων [111] εμποδίζει τη μετέπειτα επέκταση της οξείδωσης και φαινομένων διάχυσης, με αυτόν τον τρόπο παθητικοποιώντας την επιφάνεια της επικάλυψης. Σχήμα 10.4: Συγκέντρωση Fe και Al, όπως ανιχνεύτηκε στην επιφάνεια των χαλύβδινων στελεχών για διάφορες συνολικές διάρκειες επαφής. Ωστόσο, κρίνεται σημαντικό να ληφθεί υπόψη η φύση της EDX μέτρησης. Συγκεκριμένα, όταν η δέσμη των ηλεκτρονίων του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου προσπίπτει στην επιφάνεια του δείγματος, ο χώρος μέσα στον οποίο δημιουργούνται ακτίνες X (όγκος αλληλεπίδρασης) έχει τη μορφή που φαίνεται στο Σχήμα 4.6. Ως εκ τούτου, τα αποτελέσματα των EDX αναλύσεων ανταποκρίνονται στο συγκεκριμένο όγκο ελέγχου, που αντιστοιχεί σε κάποιο σχετικό βάθος από την επιφάνεια του δείγματος, και πρέπει να ερμηνεύονται κατάλληλα κατά τη λήψη συμπερασμάτων Μηχανικές ιδιότητες μέσω νανοδιεισδύσεων Έπειτα από την πειραματική διαδικασία και τη θέρμανση των δοκιμίων για διάφορες χρονικές διάρκειες, διεξήχθησαν στην επιφάνεια επαφής των επικαλυμμένων πλακιδίων δοκιμασίες νανοδιεισδύσεων με τα χαλύβδινα συμπληρωματικά δοκίμια. Οι καμπύλες του μέσου βάθους διείσδυσης προς τη δύναμη διείσδυσης που ελήφθησαν παρουσιάζονται στο Σχήμα 10.5, για την περίπτωση του TiAlN/TiSiN φιλμ και για διάφορους χρόνους θέρμανσης. Για την ελαχιστοποίηση της επίδρασης της επιφανειακής τραχύτητας στη διαδικασία της νανοδιείσδυσης, διεξήχθησαν 30 μετρήσεις σε κάθε δοκίμιο, σταθεροποιώντας τη μέση λαμβανόμενη τιμή της εκάστοτε μέτρησης [70]. Η υπολογισμένη σκληρότητα κατά Vickers hardness αυτής της επικάλυψης, σύμφωνα με τις διαδικασίες που περιγράφονται στη βιβλιογραφία [82,112], περιλαμβάνεται επίσης στο Σχήμα Διακρίνεται μία τάση μείωσης όλων των μηχανικών ιδιοτήτων, που περιλαμβάνονται στον πίνακα, λόγω της ανάπτυξης επιφανειακής οξείδωσης της εκάστοτε επικάλυψης

128 10. Εφαρμογή δοκιμαστηρίου θέρμανσης συμπίεσης Φαινόμενα οξείδωσης και διάχυσης στη διεπιφάνεια διαφόρων PVD επικαλύψεων και σκληρομετάλλου Σχήμα 10.5: Μέσες καμπύλες δύναμης μετατόπισης από δοκιμές νανοδιεισδύσεων στην επικάλυψη Ti 46 Al 54 N/Ti 90 Si 10 N για διάφορες τιμές διάρκειας επαφής. Οι τιμές μεγίστου βάθους διείσδυσης ως προς τη διάρκεια της θέρμανσης των δοκιμίων και οι αντίστοιχες υπολογισμένες τιμές σκληρότητας κατά Vickers, όπως ελήφθησαν για μέγιστο φορτίο διείσδυσης 15 mn για όλες τις περιπτώσεις επικαλύψεων που εξετάστηκαν, παρουσιάζονται στο Σχήμα Το μέγιστο βάθος διείσδυσης παραμένει πρακτικά σταθερό ως το χρόνο επαφής των περίπου 20 min στη θερμοκρασία των 800 C, ενώ γενικά για μεγαλύτερες διάρκειες θέρμανσης παρουσιάζει αύξηση. Κατά περίπτωση, το μέγιστο βάθος διείσδυσης στην επικάλυψη Ti 35 Al 65 N παραμένει κατά προσέγγιση αμετάβλητο ως προς τη διάρκεια θέρμανσης ενώ η νανοσκληρότητα του Ti 46 Al 54 N φιλμ αυξάνεται ελαφρώς με το χρόνο θέρμανσης. Τελικά, η μέγιστη αύξηση του μεγίστου βάθους διείσδυσης λαμβάνεται για την επικάλυψη Ti 46 Al 54 N/Ti 90 Si 10 N, συγκριτικά με τις άλλες δύο περιπτώσεις. Σχήμα 10.6: Μέγιστα βάθη διείσδυσης και σκληρότητα κατά Vickers των επικαλυμμένων επιφανειών ως προς το χρόνο επαφής

129 10. Εφαρμογή δοκιμαστηρίου θέρμανσης συμπίεσης Φαινόμενα οξείδωσης και διάχυσης στη διεπιφάνεια διαφόρων PVD επικαλύψεων και σκληρομετάλλου Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, σε αυτές τις θερμοκρασίες αναπτύσσονται στρώματα TiO 2, Al 2 O 3 και SiO 2 οξειδίων [104,110,113]. Το πάχος των οξειδωμένων περιοχών κυμαίνεται ως τα 100 nm για τις περιπτώσεις (Ti 1-x Al x )N επικαλύψεων, ενώ μπορεί να φτάσει το 1 μm για την περίπτωση TiSiN επικάλυψης [111]. Τοιουτοτρόπως, η επιδείνωση των μηχανικών ιδιοτήτων που παρατηρείται αναμένεται να είναι πιο σημαντική για τα Ti 46 Al 54 N/Ti 90 Si 10 N φιλμ, λαμβάνοντας υπόψη τις συγκριτικά χαμηλότερες μηχανικές ιδιότητες του αναπτυσσόμενου στρώματος οξειδίου

130 11. Σύνοψη και συμπεράσματα 11. Σύνοψη και συμπεράσματα Η βελτίωση των επιφανειακών ιδιοτήτων κοπτικών εργαλείων και στοιχείων μηχανών μέσω της μεθόδου φυσικής εναπόθεσης ατμών έχει συνεισφέρει τα μέγιστα στην ικανοποίηση των σύγχρονων αυξανόμενων απαιτήσεων για αποδοτικότερες διαδικασίες μορφοποίησης και τεχνικές διαδικασίες. Η συνεχής ανάπτυξη τόσο των υλικών επικάλυψης όσο και των διαδικασιών εναπόθεσης καθιστά απαραίτητη την αντίστοιχη εξέλιξη αξιόπιστων και πρακτικών μεθόδων αξιολόγησης τους και προσδιορισμού κρίσιμων ιδιοτήτων τους. Μεταξύ αυτών, η δυναμική αντοχή συγκαταλέγεται μεταξύ των πιο σημαντικών για την πλειοψηφία των μηχανολογικών εφαρμογών. Η παρούσα εργασία πραγματεύτηκε την εξέλιξη υπαρχόντων και τη διαμόρφωση νέων διατάξεων και τεχνικών προσδιορισμού ιδιοτήτων δυναμικής αντοχής και συνοχής επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων και στοιχείων μηχανών. Η δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης αποτελεί μια καταξιωμένη μέθοδο για το χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων κόπωσης, της ποιότητας συνάφειας και της συμπεριφοράς σε ερπυσμό επικαλύψεων. Στην παρούσα εργασία περιγράφονται εργασίες εξέλιξης του και επέκτασης του πεδίου εφαρμογής του προς τρεις κύριες κατευθύνσεις: Εξέλιξη και πλήρης ενσωμάτωση υπομονάδας υψηλών θερμοκρασιών Κατασκευή διάταξης τοποθέτησης ακριβείας δοκιμίων Εξέλιξη ιδιοσυσκευής συγκράτησης επικαλυμμένων κυλινδρικών δοκιμίων. Η υπάρχουσα διάταξη θέρμανσης δοκιμίων αναβαθμίστηκε με την προσθήκη νέων συσκευών θέρμανσης και ελέγχου. Η μονάδα ηλεκτρικών και ηλεκτρονικών εξαρτημάτων ανακατασκευάστηκε βάσει διεθνών προτύπων ασφαλείας, ενώ ενσωματώθηκαν σε αυτήν πλήρως τα στοιχεία ελέγχου της διάταξης θέρμανσης. Το λογισμικό πρόγραμμα ελέγχου του δοκιμαστηρίου αναβαθμίστηκε παράλληλα ώστε να υποστηρίζει τη λειτουργία του συνόλου της μονάδας με συστήματα αυτομάτου ελέγχου, ενώ ταυτόχρονα παρακολουθούνται και καταγράφονται συνεχώς κρίσιμες παράμετροι λειτουργίας. Η μελέτη και κατασκευή ενός συστήματος τοποθέτησης ακρίβειας των δοκιμίων είχε ως απώτατο σκοπό τη διερεύνηση της κρουστικής συμπεριφοράς των ακμών ακάλυπτων κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου. Η διαδικασία τοποθέτησης προσεγγίστηκε αρχικά με μία μηχανική και εν συνεχεία με οπτική μέθοδο παρατήρησης επιτυγχάνοντας ικανοποιητική τελική ακρίβεια. Για την υποστήριξη της διαδικασίας οπτικής τοποθέτησης αναπτύχθηκε κατάλληλο λογισμικό ελέγχου και καταγραφής της εκάστοτε θέσης

131 11. Σύνοψη και συμπεράσματα Τέλος, με σκοπό τη διεξαγωγή δοκιμών κρουστικού ελέγχου επί της κοίλης και της κυρτής επιφάνειας επικαλυμμένων δακτυλίων εδράνων ολισθήσεως εξελίχθηκε μία κατάλληλη ιδιοσυσκευή συγκράτησης δοκιμίων με αυξημένα χαρακτηριστικά στιβαρότητας, πρακτικότητας χρήσης και ευελιξίας ως προς το μέγεθος των κυλινδρικών δοκιμίων. Επιπροσθέτως, σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ένα νέο δοκιμαστήριο πειραματικής αξιολόγησης επικαλύψεων, μέσω διερεύνησης της εσωτερικής αλληλεπίδρασης τους με το υπόστρωμα και κάποιο μεταλλικό υλικό στην ελεύθερη επιφάνεια τους υπό έντονες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, αντίστοιχες με αυτές που επικρατούν κατά συνήθεις διαδικασίες αφαίρεσης υλικού ή πλαστικής μορφοποίησης. Για την παρακολούθηση και τον έλεγχο της διάταξης αναπτύχθηκε κατάλληλο λογισμικό πρόγραμμα με ενσωματωμένο αυτόματο έλεγχο της διαδικασίας θέρμανσης, της κίνησης του πνευματικού εμβόλου, του ασκούμενου φορτίου και άλλων πειραματικών παραμέτρων. Για την αποφυγή επιφανειακής οξείδωσης των δοκιμίων, το μηχανικό τμήμα της διάταξης τοποθετήθηκε εντός αεροστεγούς χώρου ελεγχόμενης ατμόσφαιρας αργού αερίου. Οι αναπτυχθείσες μεθοδολογίες εφαρμόστηκαν για την αξιολόγηση σε ένθετα κοπτικά πλακίδια, επικαλυμμένα ή μη, όπως και σε δακτυλίους υδροδυναμικών εδράνων, μέσω των οποίων, διεξήχθη η πειραματική-αναλυτική αξιολόγηση συστημάτων επικαλύψεων υποστρωμάτων υπό συνθήκες που προσεγγίζουν τις ακραίες συνθήκες λειτουργίας τους. Οι παραπάνω παραλλαγές της κρουστικής δοκιμασίας προσφέρονται τόσο για την αξιολόγηση επικαλύψεων και υποστρωμάτων ως προς τη δυναμική τους συμπεριφορά όσο και ως μέθοδοι ταχέως ποιοτικού ελέγχου σε υπάρχουσες διαδικασίες παραγωγής. Στα πλαίσια της εν λόγω διδακτορικής διατριβής διεξήχθη ο πειραματικός χαρακτηρισμός της συμπεριφοράς ως προς κόπωση παραλλαγών DLC επικαλύψεων, αξιοποιώντας το εξελιγμένο δοκιμαστήριο κρουστικού ελέγχου. Μέσω της αξιολόγησης SEM αναλύσεων των πειραματικών δοκιμών υπό διάφορα φορτία ως 1800 N και θερμοκρασίας δοκιμής από 20 ως 400 C αποκαλύφθηκαν διαφορές και διακυμάνσεις ως προς την αντοχή σε κόπωση και το κρίσιμο φορτίο αστοχίας για κάθε περίπτωση. Εν συνεχεία, πραγματοποιήθηκαν κρουστικές δοκιμασίες στην επιφάνεια αποβλίττου ακάλυπτων κοπτικών πλακιδίων σκληρομετάλλου με σκοπό τη διερεύνηση των συνθηκών αστοχίας των κοπτικών ακμών λόγω δυναμικής φόρτισης. Το συγκεκριμένο σημείο επιλέχθηκε λόγω της ισχυρής μηχανικής καταπόνησης που δέχεται κατά τις διαδικασίες αφαίρεσης υλικού. Διερευνήθηκε η επίδραση της γεωμετρίας στην ανάπτυξη των εσωτερικών τάσεων, η συνεισφορά του μεγέθους των κόκκων και η επίδραση της αναθέρμανσης των δοκιμίων υπό συνθήκες κενού εντός θερμοκρασιακού εύρους, αντιστοίχου με αυτό που αναπτύσσεται κατά τις

132 11. Σύνοψη και συμπεράσματα συνήθεις διαδικασίες εναπόθεσης PVD και CVD επικαλύψεων. Επίσης, επιβεβαιώθηκε η συνεισφορά της επιφανειακής ποιότητας στο κρίσιμο φορτίο αστοχίας. Για τον υπολογισμό των τάσεων και παραμορφώσεων κατά τη διαδικασία κρουστικού ελέγχου αναπτύχθηκε κατάλληλο τρισδιάστατο μοντέλο προσομοίωσης και προσδιορίστηκε το μέγεθος των ισοδυνάμων και κυρίων τάσεων που αναπτύσσονται κατά τη διείσδυση του σφαιρικού εισβολέα. Βάσει του συνδυασμού υπολογιστικών και πειραματικών αποτελεσμάτων, η αιτία αστοχίας προσδιορίστηκε σε θέσεις με έντονες ισοδύναμες τάσεις με εφελκυστικές συνιστώσες στην επιφάνεια ελευθερίας των δοκιμίων. Η επίγνωση της μέγιστης επιτρεπόμενης φόρτισης επιτρέπει την αξιολόγηση του συνόλου επικάλυψης και υποστρώματος διευκολύνοντας διαδικασίες βελτιστοποίησης και οδηγώντας σε αύξηση της συνολικής διάρκειας ζωής του κοπτικού εργαλείου σε εφαρμογές διακοπτόμενης κοπής. Η αναπτυχθείσα ιδιοσυσκευή συγκράτησης κυλινδρικών δοκιμίων αξιοποιήθηκε για τη διεξαγωγή κρουστικών δοκιμών και αξιολόγησης της απόδοσης TiC και DLC επικαλύψεων επί των ενεργών εσωτερικών κοίλων και εξωτερικών κυρτών επιφανειών κυματοειδών εδράνων. Η δυνατότητα ελέγχου αυτών των επικαλύψεων απευθείας στο τελικό εξάρτημα είναι ιδιαίτερης σημασίας, καθώς η διαδικασία PVD εναπόθεσης επηρεάζει σημαντικά τις τελικές ιδιότητες και συνάφεια των επιφανειακών φιλμ. Μέσω αντίστοιχης προσομοίωσης της διείσδυσης του σφαιρικού εισβολέα εντοπίστηκαν ποσοτικές διαφορές στην τάση διαρκούς αντοχής σε κόπωση και στη συνάφεια επικάλυψης υποστρώματος. Η εν λόγω μεθοδολογία χαρακτηρισμού επικαλύψεων δεν απαίτησε την καταστροφή των επικαλυμμένων δακτυλίων για την αξιολόγηση τους, ενώ ταυτόχρονα η συνεισφορά των κρουστικών αποτυπωμάτων στη μακροσκοπική απόδοση του εδράνου ήταν αμελητέα. Βάσει των ανωτέρω, η συγκεκριμένη μέθοδος αξιολόγησης προσφέρεται επίσης ως εργαλείο ποιοτικού ελέγχου σε περιπτώσεις κρίσιμων εφαρμογών. Τέλος, η διάταξη συμπίεσης θέρμανσης χρησιμοποιήθηκε με σκοπό τη διερεύνηση της συνοχής επικαλύψεων υπό ακραίες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές επί ένθετων κοπτικών πλακιδίων επικαλυμμένων με επιφανειακά φιλμ Ti 1-x Al x N και Ti x Si 1-x N. Οι δοκιμές διεξήχθησαν σε θερμοκρασία 800 C με περιοδική επαφή με στελέχη 42CrMo4V για την αποφυγή μονίμων συγκολλήσεων και συνολικό χρόνο επαφής 60 min. Μέσω μικροφασματικών ΕDX αναλύσεων επί εγκάρσιων τομών και επιφανειακών νανοδιεισδύσεων προέκυψαν πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με την εσωτερική και εξωτερική διάχυση ατόμων εκατέρωθεν της επικάλυψης και τη σχετική μεταβολή της επιφανειακής σκληρότητας τους κατά τη διάρκεια αυτών των διαδικασιών μορφοποίησης

133 12. Βιβλιογραφία 12. Βιβλιογραφία [1] A. Edermir, O. L. Eryilmaz, I. B. Nilufer, and G. R. Fenske, "Synthesis of superlow-friction carbon films from highly hybrogenated methane plasmas," Surface and Coatings Technology, no , pp , [2] Η. G. Prengel, W. R. Pfouts, and A. T. Santhanam, "State of the art in hard coatings for carbide cutting tools," Surface and Coatings Technology, no. 102, pp , [3] A. Igartua et al., "Application of low temperature PVD coatings in rolling bearings: tribological tests and experiences with spindle bearing systems," Surface and Coatings Technology, no , p. 460, [4] T. Krantz, C. Cooper, D. Townsend, and B. Hansen, "Increased Surface Fatigue Lives of Spur Gears by Application of a coating," Transactions of ASME, Journal of Mechanical Design, vol. 126, no. 4, pp , [5] Ι. Μυρισίδης, Απόδοση PVD επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων κατά το φραιζάρισμα σε υψηλές ταχύτητες και προώσεις και συσχετισμός της με την αντίσταση σε επαναλαμβανόμενη κρούση. Διδακτορική διατριβή: Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο, [6] O. Knotek et al., "A new technique for testing the impact load of thin films: the coating impact test," Surface and Coating Technology, no. 102, pp , [7] K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, and K. David, "The concept of an advanced impact tester supported by evaluation software for the fatigue strength characterization of hard layered media," Thin Solid Films, no , pp , [8] Βιδάκης Ν., Προσδιορισμός της αντοχής σε κόπωση σκληρών λεπτών επικαλύψεων για τον υπολογισμό της διάρκειας ζωής τους σε υβριδικά έδρανα κύλισης υψηλόστροφων ατράκτων εργαλειομηχανών. Θεσσαλονίκη, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, [9] O. Knotek et al., "Control of adhesion and structure of PVD wear resistant coatings by an improved impact tester," in Plasma Surface Engineering, Garmish- Partenkirchen, [10] Α. Λόντος, Προσδιορισμός ιδιοτήτων ερπυσμού επικαλύψεων παραγόμενων μέσω θερμικού ψεκασμού και βέλτιστη επιλογή των παχών τους. Διδακτορική διατριβή,: Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, [11] Κ.-D. Bouzakis, A. Lontos, and V. Kechagias, "Creep behaviour prediction and optimum design of plasma spayed coatings with intermediate bonding layer," Surface and Coating Technology, no , pp , [12] A. Aσιμακόπουλος, Εξέλιξη δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης για την αξιολόγηση μηχανισμών συνάφειας και μικροαπόξεσης λεπτών σκληρών επικαλύψεων επί κοπτικών πλακιδίων και στοιχείων μηχανών. Διδακτορική Διατριβή, Αριστοτέλειο

134 12. Βιβλιογραφία Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, [13] P.J. Blau, Friction and Wear Transitions of Materials Break-in, Run-in, Wear-in. New Jersey, USA: Noyes Publications, [14] B. Bhushan, Principles and Applications in Tribology. New York, USA: John Wiley & Sons, [15] K.C. Ludema, Modern Tribology Handbook, B. Bhushan, Ed. New York, USA: CRC Press, 2001, p [16] K. Kato and K. Adashi, Modern Tribology Handbook, B. Bhushan, Ed. New York, USA: CRC Press, 2001, p [17] K. Holmberg and A. Matthews, "Coatings Tribology Properties, Techniques and Applications in Surface Engineering," in Tribology Series, vol. 28. Amsterdam: Elsevuer, 1994, p [18] K. Holmberg, H. Ronkainen, A. Laukkanen, and K. Wallin, "Friction and wear of coated surfaces scales, modelling and simulation of tribomechanisms," Surface and Coatings Technology, vol. 202, pp , [19] A.S.O. Metals, ASM Handbook, Powder Metal Technologies and Applications, 7th ed.: Metals Park, [20] K. Brookes, Word directory and handbook of hardmetals, 4th ed.: International Carbide Data, [21] Π. Πετρόπουλος, Μηχανουργική Τεχνολογία - Τεχνολογία κατεργασιών, 1st ed. Θεσσαλονίκη: Εκδόσεις ΖΗΤΗ, [22] Κ.-Δ. Μπουζάκης, Μηχανική και Τεχνολογία Μηχανουργικών Μορφοποιήσεων με Αφαίρεση Υλικού. Θεσσαλονίκη: Εκδόσεις Ζήτη, [23] Κ.-Δ. Μπουζάκης, Μορφοποιήσεις με πλαστική παραμόρφωση υλικού, 2000th ed. Θεσσαλονίκη: Εκδόσεις ΖΗΤΗ. [24] G. Erkens et al., Plasma-Assisted Surface Coating Processes, Methods, Systems and Applications.: Suddeutscher Verlag onpact GmbH, [25] Κ.-Δ. Μπουζάκης, Μορφοποιήσεις με αφαίρεση υλικού, 2nd ed. Θεσσαλονίκη: Εκδόσεις ΖΗΤΗ, [26] F. Klocke and T. Krieg, "Coated tools for metal cutting - features and applications," CIRP Annals - Manufacturing Technology, vol. 48, no. 2, pp , [27] H.K. Tönshoff and C. Blawit, "Development and evaluation of PACVD coated cermet tools," Surface and Coatings Technology, vol. 93, pp , [28] [29] E. Lugscheider, O. Knotek, C. Wolff, and S. Barwulf, "Structure and properties of PVD

135 12. Βιβλιογραφία coatings by means of impact tester," Surface and Coatings Technology, no , pp , [30] J. C. A. Batista, C. Godoy, and A. Matthews, "Impact testing of duplex and non-duplex (Ti,Al)N and Cr N PVD coatings," Surface and Coatings Technology, vol , pp , [31] K.-D. Bouzakis et al., "Characterization of Cohesion,Adhesion and Creep-Properties of Dynamically Loaded Coatings through the Impact Tester," Zeitschrift fuer Metallkunde, vol. 92, no. 10, pp , [32] K.-D. Bouzakis, A. Asimakopoulos, G. Skordaris, E. Pavlidou, and G. Erkens, "The inclined impact test: A novel method for the quantification of the adhesion properties of PVD films," Wear, vol. 262, pp , [33] K.-D. Bouzakis et al., "A novel method to characterize cohesion and adhesion properties of coatings by means of the inclined impact test," in 16th International PLANSEE Seminar, Reutte, Austria, 2005, pp [34] K.-D. Bouzakis, A. Siganos, T. Leyendecker, and G. Erkens, "Thin hard coatings fracture propagation during the impact test," Thin Solid Films, vol. 460, no. 1-2, pp , [35] Α. Σιγανός, Πειραματική-Θεωρητική διερεύνηση των μηχανισμών αστοχίας κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης για τον έλεγχο συνοχής λεπτών σκληρών επικαλύψεων. Διδακτορική διατριβή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, [36] Laboratory for Machine Tools and Manufacturing Engineering - CemeCon AG, Impact tester manual. Thessaloniki, Greece, [37] K.-D. Bouzakis, M. Pappa, G. Skordaris, E. Bouzakis, and Gerardis S., "Correlation between PVD coating strength properties and impact resistance at ambient and elevated temperatures," Surface and Coatings Technology, vol. 205, no. 5, pp , [38] Ε. Λίλη, Προσδιορισμός συμπεριφοράς PVD επικαλύψεων επί κοπτικών εργαλείων σε επαναλαμβανόμενη κρούση με διάφορα φορτία και θερμοκρασίες. Διδακτορική Διατριβή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, [39] K.-D. Bouzakis et al., "Impact resistance of PVD films and milling performance of coated tools at various temperature levels," CIRP Annals Manufacturing Technology, vol. 55, no. 1, pp , [40] H. Aramaki, Y. Shoda, Y. Morishita, and T. Sawamoto, "The performance of Ball Bearings With Silicon Nitride Ceramic Balls in High Speed Spindles for Machine Tools," Journal of Tribology, vol. 110, pp , [41] B. Bhusan and L. B. Sibley, "Silicon Nitride Rolling Bearings for Extreme Operating Conditions," ASLE transactions, vol. 25, pp , [42] W. R. Scott, "Myth and Miracles of Gear Coatings," Gear Technology, pp ,

136 12. Βιβλιογραφία [43] A. Grill, "Tribology of Diamond Like Carbon and Related Materials: An Update Review," Surface and Coatings Technology, vol , pp , [44] F. Dimofte, R.F. Handschuh, M.J. Long-Davis, and C.J. DeTardo, "Test of PVD coatings in the wave bearing environment; Part I and II," in 5th International The Coatings Conference, Kallithea, Chalkidiki, Greece, 2005, pp [45] A.A. Voevodin, R. Bantle, and A. Matthews, "Dynamic impact wear of TiC,N, and Ti-DLC composite coatings," Wear, vol. 185, pp , [46] D. Mari, S. Bolognini, G. Feusier, T. Viatte, and W. Benoit, "Experimental strategy to study the mechanical behaviour of hardmetals for cutting tools," International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, vol. 17, pp , [47] U. Schleinkofer and H. G. Sockel, "Fatigue of Hard Metals and Cermets - New Results and a Better Understanding," Inernational Journal of Refractory Metals & Hard Materials, vol. 15, pp , [48] P. Kindermann et al., "High-temperature fatigue of cemented carbides under cyclic loads," International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, vol. 17, pp , [49] B.D. Beake et al., "Investigating the fracture resistance and adhesion of DLC films with micro-impact testing," Diamond and Related Materials, vol. 11, pp , [50] F. Ledrappier, C. Langlade, Y. Gachon, and B. Vannes, "Blistering and spalling of thin hard coatings submitted to repeated impacts," Surface & Coatings Technology, vol. 202, pp , [51] Ν. Μιχαηλίδης, Εξέλιξη πειραματικών αναλυτικών διαδικασιών προσδιορισμού μηχανικών ιδιοτήτων σκληρών λεπτών PVD επικαλύψεων και διερεύνηση των μηχανισμών αστοχίας κατά την κοπή. Διδακτορική διατριβή, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, [52] HELMUT FISCHER GmbH +Co, Evaluation Manual of Indentation Procedure. Sindelfingen, Germany, [53] B. Beake et al., NanoTest Online Help File Version 1.0 and NanoTest Manual Version 3.0.: Micro Materials Ltd, [54] W.C. Oliver and G.M. Pharr, "An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments," Journal of Materials Research, vol. 7, pp , [55] W.C. Oliver, G.M. Pharr, and F.R. Brotzen, "On the generality of the relationship among contact stiffness, contact area, and elastic modulus during indentation," Journal of Materials Research, vol. 7, pp , [56] J. Alcala, A. E. Giannakopoulos, and S. Suresh, "Continuous measurements of loadpenetration curves with spherical microindenters and the estimation of mechanical properties," Journal of Materials Research, vol. 13, pp ,

137 12. Βιβλιογραφία [57] T. Chudoba, N. Schwarzer, and F. Richter, "Determination of elastic properties of thin films by indentation measurements with a spherical indenter," Surface and Coatings Technology, vol. 127, pp. 9-17, [58] M.V. Swain and J. Mencik, "Mechanical property characterization of thin films using spherical tipped indenters," Thin Solid Films, vol. 253, pp , [59] J.R. Cahoon, W.H. Broughton, and A.R. Kutzak, "The determination of yield strength from hardness measurements," Metallurgical Transactions, vol. 2, pp , [60] W. J. Tomlinson and K. Talbot, "On the relation between hardness and the flow curve of metals," Journal of Materials Science 3, vol. Letters, pp , [61] D. Tabor, The hardness of metals. Oxford: Clarendon press, [62] X. Cai and H. Bangert, "Finite-element analysis of the interface on hardness measurements of thin films," Surface and Coatings Technology, vol. 81, pp , [63] Verein Deutcher Ingenieure.: VDI 3198, [64] K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, S. Hadjiyiannis, E. Pavlidou, and G. Erkens, "An effective way to improve the cutting performance of coated tools through annealing," Surface and Coatings Technology, vol , pp , [65] Instructions Scanning Microscope JSM-840, No.IEPSM [66] Α. Μπάλλη, Κ. Αρμάκογλου, and Ε. Παυλίδου, Τεχνικές χαρακτηρισμού υλικών, εργαστήριο ηλεκτρονικής μικροσκοπίας - Scanning Electron microscope. Θεσσαλονίκη: Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης, [67] [68] NanoFocus μsurf Operating Manual, 1st ed., [69] Κ.-D. Bouzakis et al., "Improvement of PVD coated inserts cutting performance, through appropriate mechanical treatments of substrate and coating surface," Surface and Coatings Technology, vol , pp , [70] K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, S. Hadjiyiannis, G. Skordaris, and G. Erkens, "The effect of specimen roughness and indenter tip geometry on the determination accuracy of thin hard coatings stress strain laws by nanoindentation," Materials Characterization, vol. 49, no. 2, pp , [71] K.-D. Bouzakis et al., "Wear development on cemented carbide inserts, coated with variable film thickness in the cutting edge region," Surface and Coatings Technology, vol , pp , [72] Taylor Hobson PNEUMO, Manual of roughness measurement device: Surtronic 3+. Leicester, England,

138 12. Βιβλιογραφία [73] Labview User's Manual. [74] J.G Ziegler and N. B. Nichols, "Optimum settings for automatic controllers," Transactions of the ASME, vol. 64, pp , [75] Π.Ν. Παρασκευοπούλου, Συστήματα αυτομάτου ελέγχου, βασικές έννοιες με εφαρμογές, 1st ed. Αθήνα: Εκδόσεις Π.Ν. Παρασκευόπουλου, [76] R.C. Dorf and R.H. Bishop, Σύγχρονα συστήματα αυτομάτου ελέγχου, 9th ed.: Εκδόσεις Τζιόλα, [77] K.-D. Bouzakis, A. Asimakopoulos, and M. Batsiolas, "Characterization of fatigue and adhesion properties of a-c:h/crn coatings on bearing rings by impact tests," Surface & Coatings Technology, vol. 202, pp , [78] Neuber H., "Theory of stress concentration shear strained prismatic bodies with arbitrary nonlinear stress-strain law," ASME Journal of Applied Mechanics, no. 28, pp , [79] "Mini-Catalog, Terra Universal, Inc.," vol. 3, no. 15, p. 11, [80] Κ.-D. Bouzakis, N. Michailidis, and G. Erkens, "Thin hard coatings stress-strain curves determination through a FEM supported evaluation of nanohardness results," Surface and Coatings Technology, vol , pp , [81] K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, S. Hadjiyiannis, G. Skordaris, and G. Erkens, "A Continuous FEM simulation of the nanoindentation to determine actual indenter tip geometries, material elastoplastic deformation laws and universal hardness," Zeitschrift fuer Metallkunde, vol. 93, no. 9, pp , [82] K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, and G. Skordaris, "Hardness determination by means of a FEM-supported simulation of nanoidentation and applications in thin hard coatings," Surface and Coatings Technology, vol. 200, pp , [83] K.-D. Bouzakis et al., "Determination of the fatigue behaviour of thin hard coatings using the impact test and a FEM simulation," Surface and Coatings Technology, vol , pp , [84] K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, T. Leyendecker, G. Erkens, and R. Wenke, "Determination of the fatigue properties of multilayer PVD coatings on various substrates, based on the impact test and its FEM simulation," Thin Solid Films, vol , pp , [85] K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, S. Hadjiyiannis, and G. Erkens, "Coatings stress-strain curves determination based on a FEM supported evaluation of nanohardness results and herewith interpretation of the coating performance in impact testing," in 1st National Conference on Recent Advances in Mechanical Engineering, ASME Greek Section, Patra, 2001, p [86] Swanson Analysis Systems, ANSYS user manuals, Vol. 1 Theory, Vol. 2 Procedures, Vol

139 12. Βιβλιογραφία 3 Elements, Vol. 4 Commands., [87] K.-D. Bouzakis et al., "Experimental and FEM Analysis of the Fatigue Behaviour of PVD Coatings on HSS Substrate in Milling," CIRP Annals - Manufacturing Technology, vol. 47, no. 1, pp , [88] K.L. Johnson, Contact Mechanics. Cambridge, UK: Cambridge University Press, [89] Y. Wierzbicki, T. Bao, "On the fracture locus in the equivalent strain and stress triaxiability space," International Journal of Mechanical Science, vol. 46, pp , [90] B. Avitzur, Handbook of metal forming processes. New York: John Wiley & Sons, [91] U. Schleinkofer, H.-G. Sockel, K. Goerting, and B. Heinrich, "Fatigue of hard metals and cermets," Materials Science and Engineering, vol. A209, pp , [92] [93] P. Schlund et al., "Mechanical behaviour of PVD- and CVD-coated hard metals under cyclic loads," International Journal of Refractory Metals & Hard Materials, vol. 17, pp , [94] H. Boving, H.E. Hintermann, and G. Stehlé, "TiC-coated ball bearings for spin-axis gyro applications," Lubrication Engineering, vol. 39, no. 9, pp , [95] K.-D. Bouzakis, S. Mitsi, and N. Vidakis, "Fatigue prediction of thin hard coatings on the steel races of hybrid bearings used in high speed machine tool spindles," Journal of Tribology, vol. 120, p. 835, [96] G. Erkens, PVD process technique to coat spindle bearings below 160 C, nd ed., [97] F. Dimofte, M. Proctor, D.P. Fleming, and T. G. Jr. Keith, "Wave fluid film bearing tests for an aviation gearbox," in 8th International Smposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, Honolulu, Hawaii, [98] F. Dimofte et al., "Current results of testing PVD coatings for wave bearings for use in aerospace-transmissions," in 7th International Conference THE Coatings, Kallithea, Chalkidiki, Greece, 2008, pp [99] Hiroyuki Sasahara, Takehiko Nitta, and Kazufumi Nishi, "Analysis of Tool Temperature in High-speed Milling," Initiatives of Precision Engineering at the Beginning of a Millennium, vol. Ι, pp , [100] T. I. El-Wardany, E. Mohammed, and M. A. Elbestawi, "Cutting temperature of ceramic tools in high speed machining of difficult-to-cut materials," International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 36, no. 5, pp , [101] P. Müller-Hummel and M. Lahres, "Quantitative measurement of temperatures on diamond-coated tools during machining," Diamond and Related Materials, vol. 4, no. 10,

140 12. Βιβλιογραφία pp , [102] W. Konig and J. Fabry, "Schneidstoffe - Stand und Tendenzen," Metallwiss. Metalltech., no. 37, p. 709, [103] D. Dudzinski et al., "A review of developments towards dry and high speed machining of Inconel 718 alloy," International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 44, no. 4, pp , [104] K.-D. Bouzakis et al., "Quantification of properties modification and cutting performance of (Ti1 xalx)n coatings at elevated temperatures," Surface and Coatings Technology, vol , pp , [105] Harish C. Barshilia, K.S. Rajam, Anjana Jain, K. Gopinadhan, and Sujeet Chaudhary, "A comparative study on the structure and properties of nanolayered TiN/NbN and TiAlN/TiN multilayer coatings prepared by reactive direct current magnetron sputtering," Thin Solid Films, vol. 503, no. 1-2, pp , [106] G. Erkens et al., "Supernitrides: A novel generation of PVD hardcoatings to meet the requirements of high demanding cutting applications," CIRP Annals - Manufacturing Technology, vol. 52, no. 1, pp , [107] G. Erkens et al., "Properties and performance of high aluminum containing (Ti,Al)N based supernitride coatings in innovative cutting applications," Surface and Coatings Technology, vol , pp , [108] CemeCon GmbH, Informational Bulletins: Coating Services. Aachen, Germany: CemeCon GmbH, [109] H. C. Barshilia and K. S. Rajam, "A Raman-scattering study on the interface structure of nanolayered TiAlN/TiN and TiN/NbN multilayer thin films grown by reactive dc magnetron sputtering," Journal of Applied Physics, vol. 98, [110] A. v. Richthofen, R. Cremer, M. Witthaut, R. Domnick, and D. Neuschuetz, "Composition, binding states, structure, and morphology of the corrosion layer of an oxidized Ti0.46Al0.54N film," Thin Solid Films, vol. 312, pp , [111] G. Llauro, R. Hillel, and F. Sibieude, "Elaboration and Properties of CVD Ti-N-Si Coatings," Chemical Vapor Deposition, vol. 4, no. 6, pp , [112] K.-D. Bouzakis and N. Michailidis, "Indenter surface area and hardness determination by means of a FEM-supported simulation of nanoindentation," Thin solid films, vol. 494, pp , [113] M. Witthaut, R. Cremer, A. von Richthofen, and D. Neuschütz, "Improvement of the oxidation behavior of Ti1-xAlxN hard coatings by optimization of the Ti/Al ratio," Fresenius' Journal of Analytical Chemistry, vol. 361, pp ,

141 ARISTOTELES UNIVERSITY OF THESSALONIKI (A.U.TH.) MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT LABORATORY FOR MACHINE TOOLS AND MANUFACTURING ENGINEERING MICHAIL GEORGIOU BATSIOLAS Dipl. Mechanical Engineer (Α.U.TH.) DEVELOPMENT OF EXPERIMENTAL ARRANGEMENTS AND METHODOLOGIES FOR THE CHARACTERIZATION OF FATIGUE AND COHESION PROPERTIES OF THIN HARD COATINGS AT VARIOUS TEMPERATURES DOCTORAL DISSERTATION EXTENDED SUMMARY SUBMITTED TO THE MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT OF THE ARISTOTELES UNIVERSITY OF THESSALONIKI (Α.U.TH.) THESSALONIKI JUNE 2012

142

143 13. Extended summary in English 13. Extended summary in English Development of experimental arrangements and methodologies for the characterization of fatigue and cohesion properties of thin hard coatings at various temperatures Doctoral thesis of Dipl. Mechanical Engineer M. Batsiolas Abstract High mechanical and thermal loadings are often applied on cutting tools and machine elements. By means of the application of suited coating layers, considerable performance improvement has been gained through the enhancement of their superficial properties. Complex deposition parameters in combination with the use of various coating, interlayer and substrate materials and treatments create a diverse range of potential film properties and allow the development of tailor-made coatings to suit specific application requirements. This increased level of specification requires similarly suited characterization methods and equipment. The benefits of testing and of the verification of coating properties in laboratory conditions that match to a greater extent the complex loading and temperature application conditions include the better control of each parameter and its effect to the examined property, as well as the better understanding of the various failure mechanisms at work. Moreover, it also offers a safe, fully controlled environment of superior efficiency in regards to both raw materials and time. The impact test has been an accomplished tool for the characterization of the fatigue performance and the adhesion quality of thin hard protective coating layers. In combination with appropriate Finite Elements Method (FEM) simulation of the perpendicular and inclined spherical indenter penetration, the examined films Smith and Wöhler diagrams are determined, as well as the adhesion properties of the coating-substrate interface are quantified. In the frame of the present doctoral thesis, the application scope of the impact tester arrangement was further developed in three principal directions, in order to allow the conduct of impact tests at conditions corresponding to a higher extent to those encountered in cutting applications. An electrical heating module was fully incorporated in the setup, enabling test temperatures of up to 500 C under fully efficient and reliable control conditions. Furthermore, a positioning setup was developed for the precise control of the specimen placement in regards to the impact force vector. Moreover, as the vast majority of the examined coatings by means of this device were deposited on dispensable cutting inserts, coated bearing rings were successfully included in the specimen geometry range by the development of a general-purpose fixing setup of high dynamic stability and stiffness, by means of which both concave and convex coated surfaces may be examined. Lastly, in order to reproduce the extreme pressure and temperature levels that may be produced in the interface of the coated cutting tools and workpiece and to examine the effect of such to the coating layer, a novel, dedicated test arrangement was designed and manufactured. The aforementioned experimental arrangements were correspondingly employed for the study of various coating and substrate systems of cutting tools and machine elements. Comparative experimental results enabled their prompt characterization regarding their fatigue performance under dynamic loading at various conditions, as well as the mechanical strength and hardness alterations due to selected application parameters. Appropriate computer simulation models were also created and applied to provide insight on the occurring internal stress fields, critical process characteristics and failure modes. Thus, by means of these experimental and analytical approaches, PVD coating substrate systems may be characterized, optimized and matched to suitable applications for maximum benefit. 1. Introduction Modern demands for mechanical components and machine elements of improved performance under extreme operating conditions fuel the continuous development drive in both manufacturing methods and applied materials. A significant step forward in this direction has been the focused modification of critical superficial properties of the aforementioned components by the application of appropriate coating layers. These improve greatly the contact operation conditions providing, among others, enhanced mechanical properties, reduced chemical reactivity, increased biocompatibility, thermal or electrical barrier protection, etc. The field of cutting tools and machine elements has been vastly benefited by the development of thin hard PVD coatings. These offer excellent wear resistance, reduced friction coefficient and superior performance under ever demanding operation conditions /1, 2, 3, 4, 5/ and have practically become of standard use. The development of complicated deposition techniques and the increase of the applied material combinations have allowed the customization of specific coating

144 13. Extended summary in English properties to suit the final application requirements /6/. Such advancements in superficial protective systems in turn demand efficient and reliable characterization procedures for the determination of critical properties of the selected coating systems on the final components under conditions within their full application scope. 2. Development of supplementary impact tester modules improved efficiency and control. The latter was fullyintegrated as an elevated-temperatures module of the Impact Tester arrangement, as presented in Figure 2. The related electronic and pneumatic components were incorporated in the main power unit. The control software was updated to include all the additional PID functions, monitor and register critical processes parameters and automatically ensure safe and efficient operation. The Impact Tester (IT) is an accomplished experimental arrangement that allows the application of numerous rapid impacts on a specified location of a coated specimen. By means of electromagnetically-induced oscillations, a spherical indenter impacts repeatedly on the specimen s surface, creating a permanent concave imprint. At sufficiently high loads and increased volume of impacts, such stressing leads to coating failure and removal. This loading type allows the rapid examination of critical coating mechanical properties, such as fatigue and adhesion. The numerical simulation of the indenter penetration into the specimen s surface provides the developed internal stress fields and enables the determination of the related Smith and Wöhler diagrams (Figure 1) /7, 8, 9, 10, 11, 12, 13/. The dynamic behavior of coatings is directly influenced by the coating process parameters and application conditions. In order to gain a better understanding of this decisive property, additional modules and fixture arrangements were developed for the Impact Tester setup that enable the conduct of impact tests on coated cutting tools and machine elements as final products at conditions closer to those of their typical applications. Figure 2: The upgraded impact tester setup with the integrated elevated-temperatures unit Specimen positioning control In order to examine the fatigue failure of cemented carbide inserts cutting edges, an appropriate feature was added to an existing impact tester. The developed arrangement controls accurately the positioning of the coated insert to the ball indenter spindle. This procedure is supervised by the impact tester control unit. In this way, the fixed specimen on a 2-axis linear guide system can be accurately displaced for attaining impact imprints at a certain distance from the cutting edge. The specimen movement to the impact tester spindle axis is monitored by a typical USB microscope (Figure 3). An appropriate graphical user interface, based on the platform of LabVIEW v.8.6 software, supports and registers this procedure. In this way, the application of repetitive impacts at predetermined distances from the specimens cutting edge was enabled. Figure 1: a) Main components of the mechanical unit, b) working principle and c) FEM simulation to determine fatigue properties of coatings Elevated temperatures setup Based on an external prototype heating setup /14/, a second-generation setup was developed after an extended evaluation period and constructive feedback for Figure 3: Visual specimen positioning setup

145 13. Extended summary in English 2.3. Fixture setup of cylindrical specimens The impact test was applied on the inner and outer cylindrical surfaces of bearing rings with a tungsten carbide ball of Ø5 mm. The arrangement enabling the conduct of impact tests on bearing rings is exhibited in Figure 4. This coated rings fixture consists of a metallic plate which is securely fastened on the base of the impact tester. On top of this plate, a fixture device (vise) is installed, bearing a V-shaped support. The specimen seats vertically on the V-shaped fixture. In the case of the impact test on the bearing sleeve, the ball indenter is connected to the impact tester spindle by a steel frame. The desired impact angle during the inclined impact test can be accurately defined and adjusted, considering the displacement L of the specimen in the horizontal direction X, as illustrated in Figure 4c. Figure 5: Overview of the developed setup for the application of high pressures and temperatures on coated specimens. Figure 4: Fixing setup of a) inner and b) outer coated rings and c) utilization of geometrical properties for the conduct of perpendicular and inclined impact tests. 3. Development of high temperature-pressure experimental arrangement In order to experimentally approach the pressure and temperature conditions that are applied on cutting tools during various material removal or plastic deformation procedures, an appropriate experimental setup, displayed in Figure 5, was designed and manufactured. It consists of a pneumatic piston, shown in the top part of the mechanical unit and reaching a maximum tensile or compressive load of 50 kn, and a high-efficiency electric heater that raises the test temperature up to 900 C under specimen loading conditions and exceeds 1200 C without. Details of the piston spindle tip connection and specimen fixture setup are presented in Figure 6. The entire process is supervised and registered by appropriate control software, developed on the LabVIEW v8.6 platform. This includes the automatic control of the specimen temperature and piston movement. Sensitive structural or electronic parts are monitored by appropriately-placed temperature sensors. Suitable insulation is used for minimizing thermal energy dissipation while additional cooling is provided where necessary. Moreover, the experimental device is enclosed in a Plexiglas chamber. In this way, the oxygen content can be monitored by an electrochemical sensor and adjusted at the desired level. Figure 6: Schematic representation of the piston rod end components and specimen fixture. 4. Study of the effect of temperature on the fatigue performance of PVD DLC coatings The fatigue properties of the coating material on cutting tools and machine elements affect significantly their ultimate performance. Moreover, such parts may be subjected to such temperatures during their standard operation that a significant effect on such properties is produced. In this context, the upgraded elevated-temperatures IT module was employed for the experimental characterization of the fatigue behavior of two DLC coating variations. This was performed at various loads up to 1800 N and at temperatures ranging from standard room temperature to 400 C. By means of this effort, a distinct performance trend versus the experiment temperature was detected. The examined coatings were divided in two groups, coded as DLC-A and DLC-B. The first group contained multilayer coatings with upper soft and bottom hard DLC layers and a titanium adhesive layer. The second group consisted of an upper DLC layer of intermediate hardness and a chrome adhesive layer. At a first step, ball-cratering tests were used for the determination of all

146 13. Extended summary in English coating thicknesses and Rockwell C indentation was applied for an estimation of the coating adhesion quality Determination of coating s and substrate s mechanical strength properties F = 900 N. In the top part of the same image, typical backscatter electron micrographs of related impact imprints are also demonstrated. All superficial elastoplastic strength data of the examined coatings, as well as of the substrate, was determined by means of nanoindentations measurements in both ambient and elevated temperature. A Berkovich indenter was used in a Fischerscope H100 device at ambient conditions while a Micro Materials Ltd-NanoTest device was used for testing at elevated temperatures correspondingly /15/. Figure 8: coating. FR ratio at room temperature for DLC-A Figure 7: Comparison of characteristic nanoindentation results for various temperatures. The nanoindentation depth versus the applied load at ambient and at elevated temperature for the examined DLC variants is illustrated in Figure 7. In the test temperature range of C the alteration of the DLC-A coating s behaviour was marginal. The maximum indentation depth remained almost constant and simply a reduction of the remaining depth and thus an increase of the plastic deformation could be regarded at T = 150 C. The increase of the test temperature at C affected the indentation depth though, which increased from 230 nm up to nm. At T = 400 C, a lower indentation depth was registered, which could be due to tempering procedures. On the contrary, the DLC-B coating exhibited practically constant maximum indentation depths, as well as constant remaining depths after relaxation, which signified stable mechanical properties up to 400 C Perpendicular impact tests and fatigue endurance determination For the evaluation of the generated imprints the specimens were investigated by Confocal Microscopy and Scanning Electron Microscopy. The coating s failure extent in the impact test imprint can be described through the Failed Area Ratio FR. This is defined as the ratio of the region in which the substrate is revealed, versus the overall contact area after 10 6 impacts, a figure generally considered as indicative for continuous endurance. This ratio was determined by the evaluation of each SEM micrograph, with the aid of the developed algorithm WEPROC (WEar PROpagation Code) /13, 16/. The development of the failed area ratio FR versus the impact force on the DLC-A-coated specimens at ambient temperature and after one million impacts of various forces is shown in Figure 8. The critical impact load for this case was detected between F = 900 and 1000 N, where the failed area ratio exceeded the limit of (5%), indicating the coating s first failure. The coating showed sufficient fatigue behaviour at impact loads up to Similarly, the critical impact force until failure was determined at various temperature levels for this coating group as well as for the DLC-B-coated specimens, as presented comparatively in whole in Figure 9. The superior impact resistance of the DLC-B coating at ambient temperature was evident, compared to the DLC- A. At temperatures exceeding T = 80 C a constant decline of the DLC-B coating s endurance could be regarded, in contrast to which, the deteriorating behaviour of coating DLC-A included a local optimum at T = 150 C, where the original fatigue impact performance of the DLC-A coating was practically restored. Figure 9: Failure force for FR=5, 10, and 20 % at various temperatures. 5. Study of the dynamic strength of hardmetal cutting inserts by impact tests at the cutting edge The cutting edge wear due to fatigue affects directly the overall coated tool performance. In the present work, a quick assessment of the cutting edge fatigue behavior of uncoated and coated cemented carbide inserts was investigated by impact tests near the cutting edge. Substrates with various grain sizes, surface roughness and heat treatment were tested concerning the cutting edge fatigue endurance load. The FEM simulation of the test procedure at various distances from the inserts cutting edge provided insight in the occurring stress fields. The developed test method constitutes a rapid quality control of both coated and uncoated cutting inserts at severe loading conditions FEM simulation of the experimental procedure The geometry of the specimen s edge affects significantly the stress distribution and failure initiation in the cutting wedge region. To determine the occurring stress fields, a 3-dimensional, plane-symmetric simulation model of the ball indenter penetration into the substrate was

147 13. Extended summary in English developed with appropriate boundary conditions and finite element discretization (Figure 10) /17/. This FEM model was modified accordingly, for calculating the related deformations and stress fields at various loading distances from the cutting edge. Characteristic results of the equivalent von Mises stress distributions due to the loading of equal magnitude but of parallel, displaced vector are exhibited in Figure 11. the loading distance from the cutting edge was increased. Figure 12: Principal stress components at critical model locations Effect of grain size, surface roughness and annealing temperature on experimental fracture load Figure 10: 3D FEM model of the ball indenter penetration in the cutting edge vicinity. In a further step of the described investigations, various material and process parameters were examined in relation to their effect on the fatigue endurance load, while keeping the loading distance from the cutting center constant and equal to 100 μm. As presented in Figure 13, the diminishing of substrate grain size was found to have a beneficial effect on the critical fatigue load after one million impacts. The decrease of the specimens surface roughness was detected to have a similar effect. Lastly, coated and uncoated cutting inserts of the same substrate grade and superficial roughness were examined, indicating increased sensitivity to fatigue when a PVD coating was applied. Figure 11: Equivalent von Mises stress fields for an impact force of 100 N and two distinct impact locations. Early experimental results indicated that loading proximity to the cutting edge leads to edge failure at lower loads for the same equivalent stress levels. Based on FEM calculations, this was attributed to tensile principal stress components that facilitate crack propagation under dynamic loading (Figure 12). The principal stress components that were developed at the location of maximum equivalent von Mises stress on the model s symmetry plane, which corresponds to the location of the maximum Hertzian pressure, were entirely of compressive nature and thus not expected to contribute to fatigue damage. On the other hand, a relatively significant tensional principal component σ 1 was calculated at the position of the maximum S equiv on the cutting insert s flank surface, which decreased rapidly as Figure 13: Effect of various treatment and size parameters on the fatigue endurance maximum impact force. Given that it is the substrate that receives the sum of the loading, the effect of heat treatment on the maximum fracture load was also examined. Uncoated specimens were subjected to 4 h heat treatment of various temperature levels in vacuum. A diminishing trend with the annealing temperature augmentation was revealed,

148 13. Extended summary in English regarding the critical load that the substrate could withstand for one million impacts (Figure 14). measurements of the resulting imprints, as presented in Figure 16 for a characteristic case. Figure 14: Experimental failure impact force versus the annealing temperature. 6. Determination of the dynamic and adhesive performance of PVD-coated fluid wave bearings A wave bearing is a fluid bearing that has a wave profile superposed on the surface of the bearing stationary part. The deposition of PVD coatings on the active bearing surfaces has proved to enhance significantly the bearings overall resistance against wear in transient start-and-stop situations, thus assuring a service life exceeding 30 minutes in lubricate deprivation conditions /18, 19/. The scope of the present investigation was to reveal potential differences in the impact test performance of PVD-coated fluid bearing rings, to determine the coatings and substrates strength properties and to assess the films adhesion quality. Specifically, two generations of DLC and TiC coatings, applied on the active concave or convex surfaces of inner and outer hard alloy steel rings (Figure 15), were examined. The possibility to examine the coating layers directly on the final product is essential, as the deposition process itself significantly affects the attained film properties and adhesion. Figure 16: Mean imprint depths and corresponding Weibull distribution for the TiC-coated sleeve #12. The mechanical properties of all coatings and substrates were determined by the evaluation of nanoindentation mean curves based on the SSCUBONI algorithm, as in Figure 17) /20, 21, 22, 23/. These indentation procedures were conducted on the outer convex coated rotor surfaces and on the uncoated plane circumference surfaces of all rings. Due to the inner concave nature of the coating layers on the corresponding sleeves, their properties were considered equal to the rotors ones in the ensuing FEM simulations. Figure 17: Calculated stress-strain properties for the examined coatings Fatigue performance of the examined coatings In order to determine the fatigue performance of the examined coating layers, perpendicular impact tests of 10 6 impacts at various load levels were conducted. The resulting imprints on outer surfaces were evaluated by confocal microscopy while the ones on inner surfaces were registered by multiple linear profile scanning. Figure 15: Geometrical characteristics of the examined coated bearing rings (in [mm]) Determination of material mechanical properties Average coating thickness t [μm] Coating ΤiC ΤiC* DLC DLC* Code #10 #12 #14 #16 #4 #20 #22 Rotor Sleeve X X *Second generation Table 1: Coating thickness values. The coating thicknesses on the examined rotors were measured by means of ball cratering, as presented in Table 1. Included therein are also the film thicknesses of the coated sleeves, which were determined indirectly by means of the inclined impact test, coating microabrasion and removal and then statistical evaluation of profile Critical coating failure force F crit [N]/ fatigue endurance von Mises stress σ crit [GPa] Coating ΤiC DLC Code #10 #12 #14 #16 #4 #20 # Rotor /1.7 /1.7 /1.5 /1.6 /0.7 /1.7 / Sleeve X X /1.7 /1.6 /1.3 /1.3 /0.7 Table 2: Critical coating failure loads and fatigue endurance equivalent stress values for the examined coatings. Coating removal was determined by two approaches. The first one involved the comparison of the experimental imprint depth to the simulation result of the spherical indenter penetration into the coating /10/, according to which, failure had occurred when the experimental imprint depth exceeded its expected calculation value by the coating thickness. The second approach favoured the comparison of the standard experimental imprint depth

149 13. Extended summary in English after 10 6 impacts with that of equal loads but shorter test duration of 5x10 4 impacts, which was considered sufficient for the development of the plastic deformation imprint but not for coating fatigue failure. The registered imprint depth curves for the second approach are exhibited in Figure 18 for the TiC-coated set #16. The critical force values for the sum of the examined coatings are included in Table 2, as well as the corresponding fatigue endurance equivalent stress values that develop in the coating films. The latter were used for the calculation of the related Smith and Wöhler diagrams for each case, as presented in Figure 19 for the example of the TiC-coated rotor #16. Figure 18: Measured imprint profile depths and coating failure determination. Figure 19: Smith and Wöhler diagrams for the TiCcoated rotor # Quantitative coating adhesion evaluation of the examined coating layers Critical failure force [N] / No of impacts (x10 3 ) for the inclined impact test / Contact Stiffness Ratio Coating ΤiC DLC Code #10 #12 #14 #16 #4 #20 #22 50 > Rotor /300 /300 /300 /300 /300 /300 / Sleeve X X /500 /500 /300 /400 /100 Table 3: Critical force and number of impacts values until coating failure during the inclined impact test. Contact Stiffness Ratio Coating ΤiC DLC Code #10 #12 #14 #16 #4 #20 #22 Rotor Sleeve X X Table 4: Calculated CSR values for the sum of the examined specimens. In order to determine the coating adhesion quality, inclined impact tests were conducted at an inclination angle of 10 and an impact force magnitude between 25 and 100 N. The inclination angle was chosen due to the low friction coefficient of the coating films. Based on related calculations, under such loads, the substrates were only elastically deformed or suffered minimum plastic deformation in the sub-millimeter range, which was then taken into account. The average value of the resulting imprint depth was considered for each case. The adhesion strength of the TiC coatings was quantified by the method described in /12, 24/. Based on this method, FEM-supported calculations with suitable contact elements between the coating and the substrate surfaces, e.g. with distinct normal and tangential contact stiffness parameters (c sn and c st), were conducted. When tangential loads are exercised in the film-substrate interface, coatings on poor-adherent substrates are stressed more intensely, in comparison to well-adherent films. Therefore, the ratio CSR of the tangential contact stiffness to the normal one constitutes a qualitative approach to the film s adhesion strength as the maximum developed von Mises equivalent stress increase versus the contact stiffness ratio for various impact loads. A contact stiffness ratio of 1 represents the ideal adhesion case while CSR values of 10-3 represent poor adherent coating cases, with ca. 60% increased stresses when the film is loaded tangentially compared to the ideal adhesion case. The maximum von Mises equivalent stress increase developed during the inclined impact test in the TiC and DLC films versus the contact stiffness ratio was calculated for various impact loads. Based on the experimental critical inclined impact load, the number of impacts until coating failure and the previously specified Wöhler diagrams, the contact stiffness ratio associated with the critical impact stress values were determined for all cases and are presented in Table 3 and Table 4. This process is exhibited in Figure 20 for the TiC-coated sleeves #10 and #12. The number of impacts associated with film damage at an impact load of 25 N was approximately 500x10 3 impacts for both cases, as extended coating failure was detected in all the conducted impact test imprints after this number of impacts. The related CSR ratio was approximately 10-3 and corresponded to poor adhesion properties. Figure 20: Determination of the CSR ratio for the TiCcoated sleeves #10 and #12, considering the number of impacts for coating failure initiation 7. Application of the high temperature pressure arrangement: Oxidation and interface diffusion phenomena between various PVD coatings and workpiece and substrate High-speed cutting is usually associated with high temperatures in the contact area between cutting tool and workpiece material /25, 26/. At such temperatures, diffusion phenomena may be initiated, enabling the transfer of chemical elements from the workpiece or substrate into the coating, and vice versa /27, 28/. Moreover, film oxidation is activated, which affects the chemical composition and deteriorates the coating s

150 13. Extended summary in English mechanical properties /29/. Typical PVD coatings were tested at elevated temperature and pressure conditions. For a first approach of interrupted cutting processes, periodic contact between coated inserts and hardened steel specimens was applied for simulating the contact pressure change in milling and moreover for avoiding the appearance of micro-weldings Experimental details In the conducted investigations, Ti 1-xAl xn and Ti xsi 1-xN coatings, with high hardness, improved oxidation resistance and high chemical stability at elevated temperatures were used /30/. More specifically, three PVD films, a Ti 35Al 65N, a Ti 46Al 54N and a double-layered Ti 46Al 54N/Ti 90Si 10N (bottom/top layer) one, on cemented carbide inserts of the K05-K20 ISO group, were examined. High Ionization Sputtering and High Ionization Pulsing (HIS/HIP) were employed via a CEMECON CC800/9 installation /31, 32/. The coating thickness was determined by ball cratering at approximately 3.5 μm, 3.5 μm and 1.8/1.8 μm accordingly. These coated inserts were heated up to 800 C, where diffusion and oxidation phenomena may be initiated. Steel counterparts of 42CrMo4 QT were subjected to periodic contact with the coated specimens. Moreover, nanoindentations were performed into the film contact surfaces, for detecting mechanical strength properties changes after heating. Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive X-ray spectroscopy (EDX) were applied to reveal chemical composition modifications on the contact surface of the tested specimens. In the conducted investigations, prior to heating, the ambient O 2 content was restricted between 3.2 and 3.6 % (vol.), for the entire test duration, by introducing an appropriate Ar quantity into the sealed plexiglas chamber Comparative EDX analyses and mechanical strength by nanoindentations EDX analyses were employed for determining the chemical concentration on discrete locations of the coated specimens. To monitor the element distribution from the coating surface towards the substrate, cross sections of the specimens in the contact area with the steel counter-parts were prepared, as it is explained at the top right part of Figure 22. The EDX beam was located on the OES plane and inclined at approximately 11, in relation to the OE vector, as demonstrated in the figure. This inclination allowed an adequate visualization of the coating surface, along with the film and substrate in the cross-section, during the EDX line-scanning procedure. The analysis results for each investigated coating case are also presented in the same figure. The results provide information concerning the elemental composition along the scan path of a total length of 10 μm. The abrupt decrease of the Al and Ti element counts and the simultaneous increase of the substrate elements W and Co, along the scan path direction, indicate the transition into the substrate. In all section scans, no elements of the steel counterpart were detected. On the other hand, low Fe, Cr and Mo concentrations were marginally detected by EDX point scans on the coating top surfaces. Moreover, low O 2 levels were detected on the surface of the coated specimens after the completion of the experiments, indicating that oxides were formed during the experimental procedure. Figure 21: Experiment contact details. The hardened steel counterpart was polished for achieving a uniformly distributed pressure in the contact area. The pressure in the contact area was approximately 0.1 GPa at a vertical force of 1000 N. At the temperature of 800 C, the tip of the steel specimen was slightly deformed, while the rest of the part retained its original geometry. For avoiding micro-weldings, the applied pressure was removed every minute, followed by a complete loss of contact between the specimen and counterpart, for approximately 5 s (see Figure 21). During this period, the distance between the two surfaces amounted to ca. 5 mm. The tested inserts then were allowed to cool to standard room temperature inside the sealed chamber. Figure 22: Composition of the Ti 46Al 54N/Ti 90Si 10N coating by EDX line-scanning. The tip surfaces of the hardened steel specimens were investigated, concerning chemical composition, by EDX analyses, up to a depth from their surface of 0.5 μm. The

151 13. Extended summary in English resulting element compositions on the steel counterpart tip surfaces were detected by area scan averaging (see Figure 23). The Fe and Al concentration can be considered as stable, while a trend of increasing the Al content versus the contact duration appears in the counterpart steel surface in interrupted contact with the Ti 35Al 65N film. taking into account the comparably lower oxide mechanical properties. Figure 23: Fe and Al concentration on the surface of steel counterparts for various total contact times. Considering that the temperature of 800 C was sufficient for the activation of diffusion phenomena, no significant concentration of the 42CrMo4 steel chemical elements on the examined coatings was detected. The oxygen concentrations, measured mainly on the film s surfaces, indicate that Al-oxides, in the cases of a Ti 1-xAl xn film /33, 34/, and Ti-and Si-oxides, when a Ti 46Al 54N/Ti 90Si 10N coating is applied /10, 14/, are formed. The rapid growth of the latter oxide layers impedes the further oxidation development and diffusion phenomena /35/, thus passivating the coating surface. Moreover, nanoindentations were conducted on the coated specimens after heating at 800 C for various heating durations. In order to avoid the surface roughness effect on the results reliability, at least 30 measurements were conducted for each case, providing sufficiently stable indentation depth-load mean curves. The maximum indentation depths versus the heating time, obtained in all investigated coating cases at a load of 15 mn and the related calculated Vickers hardness values are displayed in Figure 24. The maximum indentation depth remains practically stable up to a contact time of ca. 20 min at the temperature of 800 C. At a longer heating duration, the maximum indentation depth grows. On one hand, the maximum indentation depth (ID) into the Ti 35Al 65N coating remains approximately invariant versus the heating time. On the other hand the Ti 46Al 54N film nanohardness is slightly increased by the heating time. Finally, the maximum ID augmentation is significant in the case of the Ti 46Al 54N/Ti 90Si 10N coating, compared to the other films. According to the literature, TiO 2, Al 2O 3 and SiO 2 oxide layers are formed at such temperatures. The thickness of the oxidized film region ranges up to 100 nm in the case of (Ti 1-xAl x)n coatings, while it may arise to 1 μm in the case of a TiSiN coating /35, 36/. In this way, the mechanical properties deterioration is expected to be more significant, in the Ti 46Al 54N/Ti 90Si 10N film case, Figure 24: a) Maximum nanoindentation depths and b) Vickers hardness for two distinct total contact times. 8. Conclusions The improvement of superficial properties of cutting tools and machine elements by the application of PVD coating systems has contributed greatly to the successful realization of extreme application requirements, more efficient manufacturing procedures and demanding mechanical processes. The research activities of the current thesis were focused on the development of experimental analytical characterization procedures of critical mechanical properties of thin hard Physical Vapor Deposition coatings and their application on final coated cutting inserts and machine elements. To this end, the application scope of the Impact Tester setup, an experimental arrangement that applies electromagnetically-induced rapid impacts of variable magnitude by means of a spherical ceramic or hardmetal indenter, was further expanded. Moreover, appropriate Finite Element Method simulation models were applied for the verification and evaluation of corresponding experimental findings. By means of such, the fatigue performance of Diamond- Like Carbon coating variants was comparatively examined at temperatures ranging from standard room temperature to 400 C. The influence of various material and process parameters on the dynamic resistance of various hardmetal substrates was also studied by the conduct of impact tests in the vicinity of the cutting edge of coated and uncoated cutting inserts. Moreover, the impact test was successfully applied on the inner concave and outer convex coated surfaces of fluid bearings, allowing the determination of the fatigue and adhesion properties of various TiC and DLC coatings as part of an optimization effort

152 13. Extended summary in English Lastly, a dedicated experimental arrangement was also developed for the examination of the interaction between typical protective coatings, their substrates and a typical metallic workpiece material by the application of high temperature and pressure. The mechanical properties and hardness modification by this process was also examined for PVD Ti 1-xAl xn and Ti xsi 1-xN coatings, typically employed in cutting applications. 9. Acknowledgements Herewith I would like to express my gratitude to Dr. G. Erkens and his collaborators in CemeCon AG, Dr. U. May and his colleagues in Robert Bosch GmbH and Prof. F. Dimofte from the Univ. of Toledo for their support with the coated specimens. 10. References 1. A. Edermir, O. L. Eryilmaz, I. B. Nilufer, and G. R. Fenske, Synthesis of superlow-friction carbon films from highly hydrogenated methane plasmas, Surface and Coatings Technology, no , pp , Η. G. Prengel, W. R. Pfouts, and A. T. Santhanam, State of the art in hard coatings for carbide cutting tools, Surface and Coatings Technology, no. 102, pp , A. Igartua et al., Application of low temperature PVD coatings in rolling bearings: tribological tests and experiences with spindle bearing systems, Surface and Coatings Technology, no , p. 460, T. Krantz, C. Cooper, D. Townsend, and B. Hansen, Increased Surface Fatigue Lives of Spur Gears by Application of a coating, Transactions of ASME, Journal of Mechanical Design, vol. 126, no. 4, pp , G. Skordaris, Optimization of technological and geometrical parameters of PVD coated cemented carbide tools to improve their cutting performance. A.U.TH., Doctoral Thesis, Thessaloniki G. Erkens et al., Plasma-Assisted Surface Coating Processes, Methods, Systems and Applications. Suddeutscher Verlag onpact GmbH, E. Lugscheide r, O. Knotek, C. Wolff: Structure and Properties of PVD-coatings by Means of Impact Tester. Surf. Coat. Tech., , 141, J. C. A. Batista, C. Godoy, A. Matthews: Impact testing of duplex and non-duplex (Ti,Al)N and Cr N PVD coatings. Surf. Coat. Technol., , 353, K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, and K. David, The concept of an advanced impact tester supported by evaluation software for the fatigue strength characterization of hard layered media, Thin Solid Films, no , pp , K.-D. Bouzakis et al., Characterization of Cohesion, Adhesion and Creep-Properties of Dynamically Loaded Coatings through the Impact Tester, Zeitschrift fuer Metallkunde, vol. 92, no. 10, pp , K.-D. Bouzakis, N. Vidakis, T. Leyendecker, G. Erkens, and R. Wenke, Determination of the fatigue properties of multilayer PVD coatings on various substrates, based on the impact test and its FEM simulation, Thin Solid Films, vol , pp , K.-D. Bouzakis, A. Asimakopoulos, G. Skordaris, E. Pavlidou, and G. Erkens, The inclined impact test: A novel method for the quantification of the adhesion properties of PVD films, Wear, vol. 262, pp , K.-D. Bouzakis, A. Siganos, T. Leyendecker, and G. Erkens, Thin hard coatings fracture propagation during the impact test, Thin Solid Films, vol. 460, no. 1-2, pp , K.-D. Bouzakis, I. Mirisidis, E. Lili, N. Michailidis, A. Sampris, G. Skordaris, E. Pavlidou, G. Erkens, I. Wirth, Impact resistance of PVD films and milling performance of coated tools at various temperature levels, CIRP Annals Manufacturing Technology, vol. 55,1, pp , HELMUT FISCHER GmbH +Co: Evaluation Manual of Indentation Procedure, Sindelfingen Germany (2000). 16. K.-D. Bouzakis, A. Siganos, Fracture initiation mechanisms of thin hard coatings during the impact test, Surface and Coatings Technology, 185 (2004) Swanson Analysis Systems, ANSYS user manuals, Vol. 1 Theory, Vol. 2 Procedures, Vol. 3 Elements, Vol. 4 Commands, F. Dimofte, M.P. Proctor, D.P. Fleming, and T.G.Jr. Keith, Wave Fluid Film Bearing Tests for an Aviation Gearbox, 8th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery, ISROMAC-8, Honolulu, Hawaii, 2000, NASA/TM , January, F. Dimofte, R.F. Handschuh, M.J. Long-Davis, and C.J. DeTardo, Test of PVD Coatings in the Wave Bearing Environment; Part I and Part II, 5th International THE Coatings Conference, Kallithea, Chaldikidiki, Greece, pp , K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, G. Erkens, Thin hard coatings stress-strain curve determination through a FEM supported evaluation of nanoindentation results, Surface and Coatings Technology, no , pp , K. D. Bouzakis, N. Michailidis, S. Hadjiyiannis, G. Skordaris, G. Erkens, A continuous FEM simulation of the nanoindentation to determine actual indenter tip geometries, material elastoplastic deformation laws and universal hardness, Zeitschrift für Metallkunde, 93, , K.-D. Bouzakis, N. Michailidis, S. Hadjiyiannis, G. Skordaris, and G. Erkens, The effect of specimen roughness and indenter tip geometry on the determination accuracy of thin hard coatings stress strain laws by nanoindentation, Materials Characterization, vol. 49, no. 2, pp , N. Michailidis, Development of experimentalanalytical procedures to determine the mechanical properties of thin hard PVD coatings and investigation of their failure mechanisms during cutting. A.U.TH., Doctoral Thesis, Thessaloniki, A. Asimakoulos, Development of the inclined impact test for the adhesion and microabrasion failure modes investigation of thin hard coatings deposited on cutting inserts and machine elements. A.U.TH., Doctoral Thesis, Thessaloniki, Hiroyuki Sasahara, Takehiko Nitta, Kazufumi Nishi, Initiatives of Precision Engineering at the Beginning of a Millennium, I , T. I. El-Wardany, E. Mohammed, and M. A. Elbestawi, Cutting temperature of ceramic tools in high speed machining of difficult-to-cut materials, International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 36, no. 5, pp ,

153 13. Extended summary in English 27. P. Müller-Hummel and M. Lahres, Quantitative measurement of temperatures on diamond-coated tools during machining, Diamond and Related Materials, vol. 4, no. 10, pp , D. Dudzinski et al., "A review of developments towards dry and high speed machining of Inconel 718 alloy," International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol. 44, no. 4, pp , H. C. Barshilia, K.S. Rajam, Anjana Jain, K. Gopinadhan, and Sujeet Chaudhary, A comparative study on the structure and properties of nanolayered TiN/NbN and TiAlN/TiN multilayer coatings prepared by reactive direct current magnetron sputtering, Thin Solid Films, vol. 503, no. 1-2, pp , H. C. Barshilia and K. S. Rajam, A Raman-scattering study on the interface structure of nanolayered TiAlN/TiN and TiN/NbN multilayer thin films grown by reactive dc magnetron sputtering, Journal of Applied Physics, vol. 98, G. Erkens et al., Properties and performance of high aluminum containing (Ti,Al)N based supernitride coatings in innovative cutting applications, Surface and Coatings Technology, vol , pp , G. Erkens et al., Supernitrides: A novel generation of PVD hard coatings to meet the requirements of high demanding cutting applications, CIRP Annals - Manufacturing Technology, vol. 52, no. 1, pp , K.-D. Bouzakis et al., Quantification of properties modification and cutting performance of (Ti 1 xal x)n coatings at elevated temperatures, Surface and Coatings Technology, vol , pp , A.v. Richthofen, R. Cremer, M. Witthaut, R. Domnick, and D. Neuschuetz, Composition, binding states, structure, and morphology of the corrosion layer of an oxidized Ti 0.46Al 0.54N film, Thin Solid Films, vol. 312, pp , G. Llauro, R. Hillel, and F. Sibieude, Elaboration and Properties of CVD Ti-N-Si Coatings, Chemical Vapor Deposition, vol. 4, no. 6, pp , M. Witthaut, R. Cremer, A. von Richthofen, and D. Neuschütz, Improvement of the oxidation behavior of Ti1-xAlxN hard coatings by optimization of the Ti/Al ratio, Fresenius' Journal of Analytical Chemistry, vol. 361, pp ,

154

155 Προσωπικά στοιχεία: Σύντομο Βιογραφικό Σημείωμα Μπατσιώλας Μιχαήλ του Γεωργίου και της Ελένης, γεννηθείς στις 21 Απριλίου του 1982 στη Θεσσαλονίκη Βασική εκπαίδευση: Από Στοιχειώδης Εκπαίδευση στο 38 ο Δημοτικό Σχολείο Θεσσαλονίκης Από ο Γυμνάσιο Θεσσαλονίκης Από ο Γενικό Λύκειο Θεσσαλονίκης Σπουδές: Από Οκτώβριο 2000 μέχρι Σεπτέμβριο 2005 Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης 22 Νοεμβρίου 2005 Απόκτηση Διπλώματος Μηχανολόγου Μηχανικού Επαγγελματική δραστηριότητα: Από Επιστημονικός συνεργάτης στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας, Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών, Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης

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