Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΚΟΠΗΣ ΠΟΛΥΣΤΡΩΜΑΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΑΔΑΜΑΝΤΟΕΠΙΚΑΛΥΨΕΩΝ ΑΠΟΤΕΘΕΙΜΕΝΩΝ ΕΠΙ ΚΟΠΤΙΚΩΝ ΠΛΑΚΙΔΙΩΝ ΣΚΛΗΡΟΜΕΤΑΛΛΟΥ ΚΑΙ ΕΠΕΞΗΓΗΣΗ ΤΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΦΘΟΡΑΣ ΤΟΥΣ ΛΑΜΒΑΝΟΝΤΑΣ ΥΠ ΟΨΗ ΤΙΣ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΛΟΓΟΘΕΤΗΣ ΔΗΜΗΤΡΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 2016

ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια της ερευνητικής δραστηριότητας του Εργαστήριου Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστήμιου Θεσσαλονίκης. Πρώτα απ όλα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Επ. Καθ. Γ. Σκορδάρη και επιβλέποντα καθηγητή μου τόσο για την εμπιστοσύνη και εκτίμηση την οποία επέδειξε προς το πρόσωπο μου αναθέτοντας μου την εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής όσο και για την συνεχή καθοδήγηση, την αμέριστη υποστήριξη και τις χρήσιμες συμβουλές του, κατά την διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας, καθώς και για την προσεκτική ανάγνωση της εργασίας μου και για τις πολύτιμες υποδείξεις του. Ευχαριστίες εκφράζονται επίσης στον Αν. Καθ. Ι. Τσιάφη και στην Επ. Καθ. Ρ. Παρασκευοπούλου που συνεπικούρησαν την παρούσα εργασία ως μέλη της εξεταστικής επιτροπής. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα Π. Χαραλάμπους για την πολύτιμη βοήθεια του, τον χρόνο που αφιέρωσε και τις υποδείξεις του που βελτίωσαν τη μορφή και την παρουσίαση της εργασίας. Για την αρίστη συνεργασία κατά τη διεξαγωγή των πειραμάτων άλλα και για το ενδιαφέρον και τη φιλική του αντιμετώπιση καθ όλη τη διάρκεια εκπόνησης της εργασίας, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον υποψήφιο διδάκτορα Τ. Κοτσάνη. Τέλος, θα ήταν παράληψη να μην ευχαριστήσω το υπόλοιπο προσωπικό του Εργαστήριου Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας που με τον τρόπο του συνέβαλε στην επίτευξη του στόχου της εργασίας. Θεσσαλονίκη, Νοέμβριος 2016 Λογοθέτης Δημήτρης i

Περιεχόμενα 1. Εισαγωγή... 1 2. Στάθμη γνώσεων... 3 2.1 Κοπτικά εργαλεία από σκληρομέταλλο... 3 2.2 Τυποποίηση των σκληρομετάλλων... 4 2.3 Μέθοδοι παρασκευής επικαλύψεων με εναπόθεση ατμών... 6 2.3.1 Μέθοδοι παρασκευής επικαλύψεων με χημική εναπόθεση ατμών (CVD)... 7 2.3.2 CVD Αδαμαντοεπικαλύψεις... 9 2.3.2.1 Μέθοδοι ελέγχου της αντοχής της διεπιφάνειας επικαλύψεων σε υψηλές θερμοκρασίες και επαναλαμβανόμενες κρουστικές φορτίσεις.... 13 2.4 Κατεργαστικότητα κραμάτων αλουμινίου Al κατά την κοπή... 14 2.5 Προσδιορισμός ιδιοτήτων των επικαλύψεων... 17 2.5.1 Δοκιμασία νανοδιείσδυσης (nanoindendation tests)... 17 2.5.2 Δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης (impact test)... 18 2.6 Φθορά κοπτικών εργαλείων... 22 2.6.1 Περιγραφή της φθοράς κοπτικών εργαλείων... 22 2.6.2 Μηχανισμοί φθοράς επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων... 22 3. Σκοπός εργασίας... 28 4. Πειραματικές διατάξεις... 29 4.1 Συσκευή νανοσκληρομέτρησης... 29 4.2 Οπτική και σαρωτική ηλεκτρονική μικροσκοπία... 30 4.2.1 Δισδιάστατο σαρωτικό μικροσκόπιο... 30 4.2.2 Οπτικό μικροσκόπιο... 31 4.3 Κάθετο δοκιμαστήριο κρούσης... 32 4.3.1 Συνθήκες λειτουργίας κάθετου δοκιμαστηρίου κρούσης... 34 4.4 Ψηφιακό κέντρο κατεργασίας CNC τριών αξόνων... 36 5. Μελέτη πολυστρωματικών και νανοδομημένων αδαμαντοεπικαλύψεων... 37 5.1 Προσδιορισμός αντοχής σε κόπωση πολυστρωματικών επικαλύψεων... 42 5.2 Προσδιορισμός αντοχής σε κόπωση νανοδομημένων επικαλύψεων... 44 5.3 Προσδιορισμός αντοχής σε κόπωση πολυστρωματικών επικαλύψεων εν θερμώ... 45 5.4 Προσδιορισμός αντοχής σε κόπωση νανοδομημένων επικαλύψεων εν θερμώ... 47 ii

5.5 Απόδοση κοπής των εξεταζόμενων πολυστρωματικών επικαλύψεων σε διάφορα κατεργαζόμενα υλικά... 48 5.5.1 Απόδοση κοπής σε ΑΑ 7075... 50 5.5.2 Απόδοση κοπής σε Α 356.0... 51 5.5.3 Απόδοση κοπής σε αφρό αλουμινίου... 52 5.6 Απόδοση κοπής των εξεταζόμενων νανοδομημένων επικαλύψεων σε διάφορα κατεργαζόμενα υλικά... 53 5.6.1 Απόδοση κοπής σε ΑΑ 7075... 53 5.6.2 Απόδοση κοπής σε Α 356.0... 54 5.6.3 Απόδοση κοπής σε αφρό αλουμινίου... 55 5.7 Σύγκριση των εξεταζόμενων επικαλύψεων... 57 5.7.1 Σύγκριση της αντοχής της διεπιφάνειας υποστρώματος- αδαμαντοεπικάλυψης σε κόπωση... 57 5.7.1.1 Σύγκριση της αντοχής σε κόπωση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος.... 57 5.7.1.2 Σύγκριση της αντοχής σε κόπωση εν θερμώ.... 58 5.7.2 Σύγκριση Απόδοσης κοπής... 59 5.7.2.1 Σύγκριση Απόδοσης κοπής σε ΑΑ 7075... 60 5.7.2.2 Σύγκριση Απόδοσης Α 356.0... 61 5.7.2.3 Σύγκριση Απόδοσης σε αφρό αλουμινίου... 61 6. Μελέτη της επίδρασης της ανόπτησης σε νανοδομημένες επικαλύψεις... 63 6.1 Επίδραση της διάρκειας ανόπτησης στην αντοχή σε κόπωση... 65 6.2 Επίδραση της διάρκειας ανόπτησης στην απόδοση κοπής... 68 6.2.1 Απόδοση κοπής των εξεταζόμενων ανοπτημένων κατά τρείς ώρες επικαλύψεων... 68 6.2.2 Απόδοση κοπής των εξεταζόμενων ανοπτημένων κατά δέκα ώρες επικαλύψεων... 70 7. Σύνοψη και Συμπεράσματα... 71 8. Βιβλιογραφία... 73 iii

1. Εισαγωγή Η διαχρονική ανάγκη του ανθρώπου να τιθασεύσει τη φύση τον οδήγησε στη χρησιμοποίηση των μεταλλικών υλικών. Με τη συνεχή εξέλιξη της τεχνολογίας τους, δόθηκε ώθηση στο τομέα της μορφοποίησης, μέσω της δημιουργίας κραμάτων υψηλής αντοχής, καθώς και της εύρεσης επιπλέον στοιχείων, που είτε σαν μεμονωμένα, είτε σαν κραματικά στοιχεία συνεισέφεραν στην κάλυψη των ολοένα αυξανόμενων απαιτήσεων. Κοπτικά εργαλεία με αντοχή σε φθορά και σε υψηλές θερμοκρασίες δημιουργήθηκαν με σκοπό να ανταποκριθούν στην ανάγκη για μεγαλύτερη παραγωγικότητα και καλύτερης ποιότητας παραγόμενα προϊόντα. Έτσι ο κοινός χάλυβας σαν υλικό κατασκευής εργαλείων αντικαταστάθηκε από τον ταχυχάλυβα και αυτό με τη σειρά του από εργαλεία σκληρομετάλλου. Η αναγκαιότητα για κατεργασία ενισχυμένων με σκληρές ίνες πλαστικών, σκληρομετάλλων και γενικά υλικών που περιέχουν σκληρά συστατικά, οδήγησε στην καινοτόμο επικάλυψη των κοπτικών πλακιδίων με το πιο σκληρό υλικό που απαντάται στη φύση, το διαμάντι. Η αυξημένη αντίσταση σε φθορά απόξεσης, η μεγάλη σκληρότητα καθώς και η χημική αδράνεια τους με την πλειοψηφία των υλικών αποτελούν μερικά από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά των CVD αδαμαντοεπικαλύψεων. Ενώ το κύριο μειονέκτημα τους αποτελεί η θερμοκρασία διεξαγωγής της εναπόθεσης που χειροτερεύει τις μηχανικές ιδιότητες των σκληρομέταλλων, άλλα και συγχρόνως περιορίζει το φάσμα των υλικών, υποψήφιων προς επικάλυψη. Πέραν της εξέλιξης των υλικών, η απόδοση κοπής των επικαλυμμένων εργαλείων σκληρομετάλλου εξαρτάται από ένα πλήθος τεχνολογικών και γεωμετρικών παραμέτρων. Κατά τη φάση σχεδίασης του κοπτικού εργαλείου, η επιλογή του μεγέθους της ακτίνας καμπυλότητας του υποστρώματος σκληρομετάλλου καθώς και η μέθοδος μορφοποίησης του αποτελούν μείζονος σημασίας θέματα όσον αφορά την αντοχή σε φθορά των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων. Ένας ακόμα παράγοντας που επηρεάζει την φθορά των κοπτικών εργαλείων είναι η ύπαρξη διαφορετικών δομών επικάλυψης. Στην παρούσα εργασία γίνεται διεξοδική μελέτη των πολυστρωματικών και νανοδομημένων αδαμαντοεπικαλύψεων. Όσον αφόρα την απόδοση κοπής, αυτή μελετήθηκε επί τριών κατεργαζόμενων υλικών αλουμινίου διαφορετικής κατεργαστικότητας. Τα αποτελέσματα που πρόεκυψαν συγκριθήκαν για τις δυο κατηγορίες επικαλύψεων. Επιπλέον, μελετήθηκε η ιδιότητα της συνάφειας υποστρώματος-επικάλυψης μέσω δοκίμων πλαγιάς επαναλαμβανόμενης κρούσης στα κοπτικά πλακίδια των προαναφερθέντων επικαλύψεων. Επίσης, η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως θέμα τη διερεύνηση της επίδρασης της διάρκειας ανόπτησης στην απόδοση κοπής των νανοδομημένων αδαμαντοεπικαλύψεων σε 1

κοπτικά πλακίδια σκληρομετάλλου. Στην εργασία γίνεται μια διεξοδική πειραματική προσέγγιση του μηχανισμού αστοχίας της διεπιφάνειας υποστρώματος-επικάλυψης, λόγω κόπωσης άλλα και του μηχανισμού φθοράς στην καμπυλότητας της κόψης, λόγω απόξεσης. 2

2. Στάθμη γνώσεων 2.1 Κοπτικά εργαλεία από σκληρομέταλλο Στις αρχές του εικοστού αιώνα άρχισαν να χρησιμοποιούνται στις μηχανουργικές μορφοποιήσεις εργαλεία από ταχυχάλυβα των οποίων η συμπεριφορά φθοράς βελτιωνόταν σημαντικά λόγω της παρουσίας σωματιδίων καρβιδίων του βολφραμίου, στη μεταλλική μήτρα τους. Το επόμενο φυσικό βήμα ήταν να δημιουργηθούν κοπτικά εργαλεία από καθαρά καρβίδια του βολφραμίου. Παρότι παρουσιάσθηκαν αντικειμενικές δυσκολίες, λόγω της υψηλής θερμοκρασίας πυροσυσσωμάτωσης (>2000 Ο C), η δημιουργία αυτών των εργαλείων ολοκληρώθηκε με φτωχά αποτελέσματα καθώς τα σχετικά εργαλεία αποδείχτηκαν πολύ ψαθυρά σε βιομηχανικές εφαρμογές. Το θεμελιώδες αυτό πρόβλημα λύθηκε λίγα χρόνια αργότερα (1914) όταν ο ΚarlSchröter εργαζόμενος στην εταιρία Osram ανακάλυψε ότι το καρβίδιο του βολφραμίου αναμειγμένο με μέταλλα όπως σίδηρος, νικέλιο ή κοβάλτιο σε κάποιο ποσοστό, πυροσυσσωματώνονταν στους 1500 ο C και το τελικό προϊόν είχε χαμηλό πορώδες και υψηλή σκληρότητα. Τα σκληρομέταλλα ως υλικά κοπτικών εργαλείων παρουσιάστηκαν από το FriedKrupp το 1927 κάτω από την ονομασία Widia (wiediamant) και μέσω συνεχών βελτιώσεων τους απέκτησαν κυρίαρχη θέση σε μηχανουργικές εφαρμογές. Η κύρια διαδικασία παραγωγής σκληρομετάλλων βασίζεται στην κονιομεταλλουργία. Κατά κύριο λόγο σκόνες από καρβίδιο του βολφραμίου (WC) με άλλα καρβίδια όπως τιτανίου (TiC), τανταλίου (TaC) και Νιοβίου (ΝbC) αναμειγνύονται βάση προδιαγραμμένων αναλογιών και αλέθονται. Στη συνέχεια συμπιέζονται παρουσία κοβαλτίου που αποτελεί και το συνδετικό υλικό και ακολουθεί μια πρώτη φάση πυροσυσσωμάτωσης στους 900 o C. Το εξαγόμενο τεμάχιο μορφοποιείται και μια τελική διαδικασία πυροσυσσωμάτωσης λαμβάνει χώρα σε υψηλή θερμοκρασία (1300-1600 o C). Η εκλογή της χημικής σύστασης και της κρυσταλλικής δομής των σκληρομετάλλων επιδρά στις ιδιότητες τους. Αύξηση της περιεκτικότητας σε καρβίδια τιτανίου και τανταλίου και αντίστοιχη μείωση του κοβαλτίου συμβάλλουν στην αύξηση της σκληρότητας, στη βελτίωση της αντοχής σε συγκολλήσεις, της αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες και σε φθορά λόγω διάχυσης. Αντίθετα, αρνητικά επηρεάζεται η αντοχή σε εναλλασσόμενη καμπτική καταπόνηση και σε εναλλαγές της θερμοκρασίας. Σημαντική παράμετρος αποτελεί το μέγεθος των κόκκων όσον αφορά τη συμπεριφορά του σκληρομετάλλου στην κοπή. Τα λεπτόκοκκα σκληρομέταλλα παρουσιάζουν βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες σε σύγκριση με τα συμβατικά συντελώντας στη μεγαλύτερη διάρκεια ζωής του κοπτικού πλακιδίου. Η δεσπόζουσα θέση που κατέχουν τα σκληρομέταλλα ως υλικά κοπτικών εργαλείων, σε όλες τις κατεργασίες μορφοποίησης με αφαίρεση υλικού οφείλεται στις εξαιρετικές ιδιότητες τους. Συνοπτικά χαρακτηρίζονται από μεγάλη σκληρότητα και ικανότητα διατηρήσεως της ακόμα και σε υψηλές θερμοκρασίες, υψηλό μέτρο ελαστικότητας (σχεδόν τρεις φορές μεγαλύτερο 3

από τον κοινό χάλυβα) που μεταφράζεται σε μεγάλης ολκιμότητας υλικό, χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής και σχετικά υψηλό συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας σε σχέση με τον χάλυβα. Η δυνατότητα παραγωγής σκληρομετάλλων με διαφορετική αναλογία καρβιδίων και συνδετικού υλικού μέσω των όποιων καλύπτεται ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών έχει προκαλέσει την αδήριτη ανάγκη ταξινόμησης τους στις κατασκευάστριες εταιρίες. Οι τέσσερις κατηγορίες στις οποίες εντάσσονται τα σκληρομέταλλα ως υλικά κοπτικών εργαλείων σύμφωνα με τη διεθνή τυποποίηση ISO και τη γερμανική προδιαγραφή DIN4990 είναι οι P, M, G και K (η G χρησιμοποιείται για κατεργασία πετρωμάτων). Οι ομάδες Ρ, Μ και Κ έχουν ως διακριτικό χρώμα το μπλε, το κίτρινο και το κόκκινο αντίστοιχα. Η κατηγορία P χρησιμοποιείται κυρίως για κατεργασίες χαλύβων και χυτοχαλύβων, η κατηγορία M για κατεργασίες ανοξείδωτων χαλύβων και τέλος η κατηγορία Κ βρίσκει εφαρμογή σε κατεργασίες φαιού και λευκού χυτοσιδήρου, μαλακτικοποιημένων χυτοσιδήρων, βαμμένων χαλύβων, πλαστικών και συνθετικών υλών καθώς και ξύλου. Η κάθε κατηγορία χωρίζεται σε επιμέρους ομάδες, οι οποίες έχουν να κάνουν με τις ιδιότητες και την ποιότητα τους. Όσο αυξάνεται ο αριθμός για την κατηγορία P από 02 σε 40, για την M από 10 σε 40 και την K από 03 σε 40, χειροτερεύει η συμπεριφορά φθοράς και η σκληρότητα, ενώ βελτιώνεται η ολκιμότητά τους. Επιπλέον τα κοπτικά πλακίδια κατασκευασμένα από σκληρομέταλλο έχουν κωδικοποιηθεί κατά ΙSO με βάση τη γεωμετρική τους μορφή. Το σχήμα του πλακιδίου (τρίγωνο Τ, ορθογώνιο L, τετράγωνο S κτλ), η κατασκευαστική γωνία ελευθερίας και αποβλίττου, οι ανοχές κατασκευής, το πάχος, η κατεύθυνση πρόωσης, το μέγεθος, ο τρόπος συγκράτησης κ.ο.κ. συμβολίζονται με ειδικούς αριθμούς και γράμματα. 2.2. Τυποποίηση των σκληρομετάλλων Η εκλογή της χημικής σύστασης και της κρυσταλλικής δομής των σκληρομετάλλων επιδρά στις ιδιότητες τους καθώς και την απόδοση τους κατά την κοπή. Για παράδειγμα μια ενδεχόμενη αύξηση της περιεκτικότητας σε καρβίδια τιτανίου και τανταλίου και αντίστοιχη μείωση του κοβαλτίου συμβάλλουν στην αύξηση της σκληρότητας, στη βελτίωση της αντοχής σε συγκολλήσεις, της αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες και σε φθορά λόγω διάχυσης. Αντίθετα, αρνητικά επηρεάζεται η αντοχή σε εναλλασσόμενη καμπτική καταπόνηση και σε εναλλαγές της θερμοκρασίας. Η ανάγκη χρησιμοποίησης βέλτιστου συνδυασμού αναλογίας καρβιδίων και συνδετικού υλικού, έχει οδηγήσει τις κατασκευάστριες εταιρίες να δημιουργήσουν διάφορες κατηγορίες σκληρομετάλλων. Σύμφωνα με τη γερμανική προδιαγραφή DIN4990 και τη διεθνή τυποποίηση κατά ISO 813, τα σκληρομέταλλα ως υλικά για κοπτικά εργαλεία κατατάσσονται σε τρείς κύριες ομάδες, που συμβολίζονται με τα γράμματα P, M και K και χρησιμοποιούνται για την κοπή σιδηρούχων υλικών. 4

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

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

πυρήνων και η διαδικασία ανάπτυξης μπορεί να επηρεαστεί σε μεγάλο βαθμό μέσω του βομβαρδισμού του αναπτυσσόμενου στρώματος με ιόντα, έχοντας ως αποτέλεσμα αλλαγές στη μικροδομή, στη σύνθεση, στις ατέλειες και στις εναπομένουσες τάσεις. Ο βαθμός εναπόθεσης ελέγχεται ξεχωριστά σε καθένα από τα τρία στάδια και προσδιορίζει την ευελιξία των διαδικασιών εναπόθεσης. Στις μεθόδους της φυσικής εναπόθεσης ατμών (PVD), τα παραπάνω περιγραφόμενα τρία στάδια ελέγχονται το καθένα ξεχωριστά σε αντίθεση με τις μεθόδους της φυσικής εναπόθεσης ατμών (PVD) της χημικής εναπόθεσης, όπου πραγματοποιούνται ταυτόχρονα. Κατά αυτόν τον τρόπο, οι μέθοδοι φυσικής εναπόθεσης προσφέρουν μεγαλύτερη ευελιξία στον έλεγχο της δομής, των ιδιοτήτων και στο ρυθμό εναπόθεσης. Επίσης οι μέθοδοι φυσικής εναπόθεσης πραγματοποιούνται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (160-500 Ο C) παρέχοντας τη δυνατότητα να επικαλυφθούν υλικά που είναι ευάλωτα στη θερμοκρασία. Ωστόσο, κύριο πλεονεκτήματα των μεθόδων χημικής εναπόθεσης είναι ότι μπορούν να επικαλυφθούν υλικά που έχουν πολύπλοκη γεωμετρία. Σχήμα 2.2: Κύριες μέθοδοι επικάλυψης με φυσική εναπόθεση ατμών. Τέλος οι PVD επικαλύψεις έχουν καλύτερη απόδοση σε κατεργασίες με διακοπτόμενο απόβλιττο σε αντίθεση με την υπεροχή των CVD σε κατεργασίες με συνεχόμενο απόβλιττο. 2.3.1 Μέθοδοι παρασκευής επικαλύψεων με χημική εναπόθεση ατμών (CVD). CVD-επικαλύψεις Οι CVD-μεθοδολογίες επικάλυψης, όπως εισαγωγικά αναφέρθηκε, διεξάγονται σε υψηλότερες θερμοκρασίες συγκριτικά με τις PVD διαδικασίες. Η κλασική διαδικασία CVDεπικάλυψης επεξηγείται στο σχήμα 2.3. Πρόκειται για επικάλυψη καρβιδίου του τιτάνιου TiC. Ατμοί του καρβιδίου αυτού δημιουργούνται, συμφώνα με την αναφερόμενη χημική αντίδραση και οδηγούνται σε δοχείο, φορέα κοπτικών πλακιδίων, προς επικάλυψη. Εκεί οι ατμοί συμπυκνώνονται και επικαλύπτουν τις επιφάνειες των πλακιδίων. Αντλία κενού φροντίζει για 7

την απαγωγή αεριών και δημιουργεί ελαφρά υποπίεση στο κύκλωμα των διεργασιών της επικάλυψης. Στήλη απόσταξης Θερμοστάτης Θέρμανση Αντλία κενού TiCl 4 H 2 CH 4 Δοχείο με πλακίδια σκληρομετάλλου TiCl 4 + CΗ 4 + Η 2 ΤiC + 4HCl + Η 2 Σχήμα 2.3: Σχηματική παράσταση διαδικασίας CVD επικάλυψης με καρβίδιο του τιτάνιου κοπτικών πλακιδίων από σκληρομέταλλο (κατά Shandvik). Τυπικές κρυσταλοδομές τέτοιων επικαλύψεων επιδεικνύει το σχήμα 2.4. Η συνάφεια, όπως και οι μηχανικές ιδιότητες CVD επικαλύψεων, είναι γενικά υψηλές συγκρινόμενες με αυτές των PVD στοιβάδων. Τα συνήθη πάχη τους ανέρχονται σε αρκετά μικρόμετρα, και λόγω του ταχύτερου ρυθμού εναπόθεσης, είναι γενικά μεγαλύτερα από αυτά των PVD επικαλύψεων, συμβάλλοντας έτσι στη βελτίωση της οικονομικότητας των κατεργασιών. 8

Βασικό σκληρομέταλλο : HW-P 15 10 μm TiN - στιβάδα TiC - στιβάδα Σχήμα 2.4: Κρυσταλλικές δομές CVD επικαλυμμένων σκληρομετάλλων. Τα πλεονεκτήματα αυτά αντικατοπτρίζονται και στη συμπεριφορά της φθοράς τους. Κατά το τορνάρισμα του φαιού χυτοσίδηρου, όσο και ενός ομαλοποιημένου χάλυβα, τα CVD επικαλυμμένα πλακίδια σκληρομετάλλου οδηγούν σε σημαντικές αυξήσεις της διάρκειας ζωής των κοπτικών εργαλείων. Το κύριο μειονέκτημα τον CVD διαδικασιών, είναι η υψηλή θερμοκρασία διεξαγωγής τους, που χειροτερεύει τις μηχανικές ιδιότητες των σκληρομετάλλων, αλλά συγχρόνως περιορίζει και το φάσμα υλικών, υποψήφιων για επικάλυψη με τέτοιες διαδικασίες. Οι σχετικά πρόσφατες εξελίξεις CVD-επικαλύψεων σε συνδυασμό με παράγωγη πλάσματος,(pa-cvd) συμβάλουν στην διεύρυνση της χρησιμοποίησης των CVD διαδικασιών. 2.3.2 CVD Αδαμαντοεπικαλύψεις Οι CVD διαδικασίες για την επικάλυψη εργαλείων σύνθετου γεωμετρίας, με κυρτές ή κοίλες επιφάνειες άρχισαν να εφαρμόζονται από το 1990. Οι σχετικές επικαλύψεις χαρακτηρίζονται σαν CVD διαμάντια συμφώνα με το Γερμανικό κανονισμό VDI 2840. Τα αδαμαντοεπικαλυμμένα εργαλεία έχουν ιδιαίτερα υψηλή αντοχή σε φθορά και χρησιμοποιούνται για την κοπή ενισχυμένων με σκληρές ίνες πλαστικών, σκληρόμετρων και κεραμικών πριν την τελική πυροσυσσωμάτωση τους και γενικά, υλικών που περιέχουν σκληρά συστατικά, όπως καρβίδια, νιτρίδια κτλ. Εργαλεία με αδαμαντοεπικαλύψεις δεν χρησιμοποιούνται για την κοπή σιδηρούχων υλικών, λόγω της μεγάλης διαλυτότητας του άνθρακα στο σίδηρο που οδηγεί σε γρήγορη φθορά τα εργαλεία. Η διαδικασία της επικάλυψης διεξάγεται σε θερμοκρασίες από 600 μέχρι 1000 O C. Εν προκειμένω διακρίνονται δυο βασικές παραλλαγές. Διαδικασίες για τη δημιουργία λεπτών στρώσεων πάχους 1 έως 40 μm και αντίστοιχες για πάχη 0,3 μέχρι 2mm. Οι πρώτες 9

διαδικασίες χρησιμοποιούνται για την επικάλυψη διαφόρων εργαλείων και άλλων τεμαχίων. Οι μεγάλου πάχους στοιβάδες εναποτίθενται σε ένα βοηθητικό υπόστρωμα και απομακρύνονται από αυτό για τις τελικές χρήσεις τους. Τέτοιου είδους πλακίδια, συνήθως συγκολλούνται εν κενώ, επί καταλλήλων στελεχών, δομικών στοιχείων εργαλείων. Κατά τη διαδικασία επικάλυψης, λαμβάνουν χώρα αντιδράσεις ανθρακούχων αέριων, όπως μεθανίου, ασετιλίνης, μονοξειδίου του άνθρακα κτλ., για την έκλυση άνθρακα, που εναποτίθεται επί των επιφανειών των τεμαχίων. Η συνάφεια των αδαμαντοεπικαλύψεων είναι ένα πρόβλημα που αντιμετωπίζεται με κατάλληλες προεργασίες των υποστρωμάτων τους. Το κοβάλτιο, ήδη σε θερμοκρασίες των 650 Ο C αρχίζει να αποδομεί του αδαμαντο-κόκκους, διαλύοντας άνθρακα στο πλέγμα του. Για το λόγο αυτό, απομακρύνεται με μικροκοκκοβολές και εν συνεχεία με χημική προσβολή από την επιφάνεια των προς επικάλυψη εργαλείων από σκληρομέταλλο. Το βάθος προσβολής επιλέγεται έτσι, ώστε να μην επηρεάζει τη συγκράτηση των καρβιδίων από έλλειψη συνδετικού κοβαλτίου. Από την άλλη πλευρά δεν πρέπει να είναι πολύ μικρό γιατί στη θερμοκρασία της διαδικασίας εναπόθεσης περίπου 900 Ο C, διαχέεται προς την διεπιφάνεια του τεμαχίου με την επικάλυψη και περιορίζει της μηχανικές ιδιότητες της, μέσω της αποδόμησης των αδαμαντο-κόκκων. Μετά την χημική προσβολή διεξάγεται καθαρισμός και ενσωματώνονται επιφανειακά, μικρής κοκκομετριάς διαμαντόκοκκοι, οι όποιοι δρουν σαν φύτρα, για την ανάπτυξη των διαμαντόκοκκων. Οι αδαμαντοεπικαλύψεις, μέσω της κατάλληλης καθοδήγησης των παραμέτρων της διαδικασίας της επικάλυψης, μπορούν να έχουν τις δομές, που παρίστανται στο σχήμα 2.5 Μικροκρυσταλλική Νανοκρυσταλλική (λεία) Πολυστρωματική (λεία) Μικροκρυσταλλική Νανοκρυσταλλική Σχήμα 2.5: Κρυσταλοδομές και επιφανειακή τραχύτητα αδαμαντοεπικαλύψεων. Η ανάπτυξη των κόκκων επί των φυτρών μπορεί να διακοπεί από τη δημιουργία νέων κόκκων επί νέων φυτρών, που σχηματίζονται κατά τη διαδικασία της επικάλυψης. Οι επιφάνειες των νανοκρυσταλλικών αδαμαντοεπιστρώσεων, είναι λείες και χαρακτηρίζονται από μικρό συντελεστή τριβής. Οι πολυστρωματικές μπορεί να περιέχουν νάνο- και μίκροκρυσταλλικές στρώσεις, συμφώνα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής. Οι νάνοκρυσταλικες στιβάδες δημιουργούνται, μέσω του επηρεασμού του πλήθους νέων φυτρών, που οδηγεί στην ανάπτυξη αντιστοίχου πλήθους κόκκων, που αλληλοεμποδίζουν τη μεγέθυνση τους. Ο συνδυασμός νάνο- με μίκρο κρυσταλοδομές, δυσχεραίνει την πορεία 10

μικρορωγμών μέσα από τη δομή των αδαμαντοεπιστρώσεων και έτσι βελτιώνει την αντοχή τους. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα της συμπεριφοράς φθοράς πολυστρωματικών (MLD) και νανοκρυσταλλικών (NCD) αδαμαντοεπικαλύψεων κατά το φραιζάρισμα του αεροπορικού κράματος αλουμινίου ΑΑ7075 Τ6 παρουσιάζεται στο σχήμα 2.6. Επειδή η φθορά των επικαλύψεων στο συγκεκριμένο παράδειγμα, παρά την υψηλή ταχύτητα κοπής (1500m/min) εξελίσσεται με πολύ χαμηλό ρυθμό, η μέτρηση του πλάτους της ζώνης φθοράς δεν οδηγεί σε αξιόπιστα αποτελέσματα. Για την υπερνίκηση αυτής της δυσκολίας προσδιορίζεται η κατανομή του πάχους της επικάλυψης στην κοπτική ακμή. Με βάση την κατανομή αυτή, υπολογίζεται το ελάχιστο πάχος επικάλυψης στον κοπτικό σφήνα και μέσω αυτού παρακολουθείται η πρόοδος της φθοράς της. Όπως φαίνεται στο σχήμα, η φθορά των επικαλύψεων στο συγκεκριμένο παράδειγμα κατεργασίας, εξελίσσεται αργά, με έναρξη της αποκάλυψης του υποστρώματος μετά την κοπή συνολικά μεγάλου συνολικού μήκους αποβλίττου. Μία σύγκριση των καμπύλων φθοράς των επικαλύψεων, στη μεταβατική περιοχή της κόψης από την επιφάνια ελευθερίας προς την αποβλίττου, αποκαλύπτει την καλύτερη συμπεριφορά φθοράς της πολυστρωματικής σε σχέση με την νανοκρυσταλλική αδαμαντοεπικάλυψη. Μετά την έναρξη της αποκάλυψης του υποστρώματος, τα εργαλεία συνεχίζουν να χρησιμοποιούνται, μέχρι τη δημιουργία φθοράς ελεύθερης επιφάνειας 0,1 mm έως 0,2 mm, ανάλογα με την περίπτωση κατεργασίας και τις απαιτήσεις σε ποιότητα της επιφάνειας του τεμαχίου. 11

Σχήμα 2.6:Εξέλιξη φθοράς αδαμαντοεπικαλύψεων στην μεταβατική περιοχή της κόψης κατά το φραιζάρισμα αλουμινίου. Η συνάφεια αδαμαντοεπικαλύψεων είναι ένα ιδιαίτερο πρόβλημα, που αντιμετωπίζεται με κατάλληλες προετοιμασίες των υποστρωμάτων τους. Οι προετοιμασίες αυτές μέσω χημικής προσβολής για τον περιορισμό και την αδρανοποίηση του κοβαλτίου, που προηγουμένως σχολιάσθηκαν, δημιουργούν μία περιοχή διεπιφάνειας ιδιαίτερα προβληματική σχετικά με την κόπωση του υλικού της και μάλιστα σε υψηλές θερμοκρασίες. Η ιδιότητα αυτή μπορεί να ελεγχθεί μέσω της δοκιμής της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης, που περιγράφεται στην παράγραφο 2.4.2. Αξίζει να σημειωθεί, ότι οι υψηλές παραμένουσες τάσεις των αδαμαντοεπικαλύψεων, ευνοούν την συνάφεια τους. Συγκεκριμένα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος τόσο στην περίπτωση αδαμαντοεπικάλυψης με καλή συνάφεια (Τ1) όσο και με ανεπαρκή (Τ2), η κρίσιμη διατμητική τάση (SFLS) για τη μη αποκόλλησή της, μέχρι τουλάχιστον 10 6 κρούσεις, περιορίζεται περίπου κατά 20%, κυρίως λόγω της αποσύμπλεξης επιφανειακών τραχυτήτων, αν μειωθούν οι παραμένουσες τάσεις από -4,8 GPa σε-1,95 GPa (παράβαλε περιπτώσεις 1,2 και 4,5). Στην περίπτωση όμως της ανεπαρκούς συνάφειας στην θερμοκρασία των 300 ο C, η περαιτέρω ελάττωση της κρίσιμης διατμητικής τάσης (=53%), είναι περίπου δεκαπλάσια σε σύγκριση με αυτήν της καλής συνάφειας που ανέρχεται μόνο σε 5,5 (παράβαλε περιπτώσεις 3 και 4). Τα αποτελέσματα αυτά επιβεβαιώνουν ότι 12

αδαμαντοεπικαλύψεις περιορισμένης συνάφειας αντενδείκνυνται για κοπτικά εργαλεία που εκτίθενται σε θερμοκρασία άνω των περίπου 300 Ο C. 2.3.2.1. Μέθοδοι ελέγχου της αντοχής της διεπιφάνειας επικαλύψεων σε υψηλές θερμοκρασίες και επαναλαμβανόμενες κρουστικές φορτίσεις. Οι αδαμαντοεπικαλύψεις εναποτίθενται μέσω CVD σε θερμοκρασίες περίπου των 900 Ο C. Κατά την απόψυξη σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, λόγω των διαφορετικών συντελεστών θερμικής διαστολής της επικάλυψης και του υποστρώματος, δημιουργούνται υψηλές συμπιεστικές (παραμένουσες) τάσεις στην επικάλυψη. Οι τάσεις αυτές, συμβάλλουν στη βελτίωση της συνάφειας, σε περίπτωση όμως αστοχίας της διεπιφάνειας μεταξύ στιβάδας και υποστρώματος, οδηγούν στην αποκόλληση της επικάλυψης, την ανύψωσή της και την καταστροφή της. Επίσης, για τη βελτίωση της συνάφειας CVD αδαμαντοεπικαλύψεων κοπτικών εργαλείων, τα υποστρώματα σκληρομετάλλου προετοιμάζονται μέσω διαφόρων χημικών κυρίως διαδικασιών. Οι προετοιμασίες αυτές σκοπεύουν στον περιορισμό του κοβαλτίου στην περιοχή της διεπιφάνειας της επικάλυψης προς το υπόστρωμά της. Το κοβάλτιο έχει χαμηλή συνάφεια με τον άνθρακα και διευκολύνει την γραφιτίαση του αδαμάντινου κρυσταλλικού πλέγματος. Λόγω των προηγουμένων αναφερθέντων προετοιμασιών, η διεπιφάνεια των αδαμαντοεπικαλύψεων έχει πάχος μερικών μικρομέτρων και φορτιζόμενη με επαναλαμβανόμενες κρούσεις, όπως π.χ. κατά το φραιζάρισμα, αστοχεί. Η αστοχία αυτή εντείνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Πειράματα που οδήγησαν σε αποκολλήσεις αδαμαντοεπικαλύψεων διεξήχθησαν στους 300 Ο C μέσω του δοκιμαστηρίου της επαναλαμβανόμενης κρούσης. Η επικάλυψη με την αυξανόμενη συνάφεια (Τ1) αποκολλάται και ανυψώνεται, δημιουργουμένου σχετικού εξογκώματος, μετά από περίπου 6.000 κρούσεις. Και στις δύο αυτές περιπτώσεις η αστοχία της διεπιφάνειας της επικάλυψης είναι η αιτία που οδηγεί στην αποκόλληση της αδαμαντοεπικάλυψης. Η αντοχή της διεπιφάνειας σε διαδοχικές φορτίσεις, διεξάγεται με τη βοήθεια της δοκιμής επαναλαμβανόμενης κρούσης. Η περιορισμένη συνάφεια της επικάλυψης δημιουργήθηκε μέσω κατάλληλης επιλογής των συνθηκών προετοιμασίας του υποστρώματος. Η επικάλυψη με την αυξημένη συνάφεια αστοχεί σε υψηλότερα φορτία, τόσο στη θερμοκρασία περιβάλλοντος όσο και σε αυτή των 300 Ο C συγκριτικά με την επικάλυψη της περιορισμένης συνάφειας. Είναι αξιοσημείωτο, ότι η Τ2 επικάλυψη αστοχεί στη θερμοκρασία περιβάλλοντος περίπου σε 13,5% χαμηλότερη δύναμη σε σχέση με την Τ1, ενώ στους 300 Ο C, η προηγούμενη μείωση φορτίου ανέρχεται προσεγγιστικά σε 70,5%. Έτσι, αδαμαντοεπικαλύψεις περιορισμένης συνάφειας αντενδείκνυνται για κοπτικά εργαλεία που εκτίθενται σε θερμοκρασίες άνω περίπου των 300 Ο C. Οι δυνάμεις που αντιστοιχούν στην οριζόντια περιοχή των καμπυλών (κρίσιμες δυνάμεις), διασφαλίζουν την επαναλαμβανόμενη φόρτιση των επικαλυμμένων εργαλείων, στις 13

αντίστοιχες θερμοκρασίες χωρίς αποκολλήσεις, λόγω αστοχίας της διεπιφάνειάς τους. Οι κρίσιμες αυτές δυνάμεις είναι καταχωρημένες συναρτήσει της θερμοκρασίας, για τις διαφορετικές ποιότητες συνάφειας Τ1 και Τ2. Η πορεία των σχετικών καμπυλών επιβεβαιώνει τη μείωση των κρίσιμων δυνάμεων με την άνοδο της θερμοκρασίας. Η μείωση αυτή είναι πιο έντονη στην περίπτωση της συνάφειας Τ2. Επίσης λαμβάνεται υπ όψη και η πορεία μεταβολής των παραμενουσών συμπιεστικών τάσεων στην επικάλυψη, συναρτήσει της θερμοκρασίας. Όπως αναμένεται, λόγω του περιορισμού της θερμοκρασιακής διαφοράς σε σχέση με τη θερμοκρασία CVD εναπόθεσης των περίπου 900 Ο C, οι παραμένουσες τάσεις μειώνονται, με συνέπεια τον περιορισμό της κρίσιμης διατμητικής τάσης. Με συνεκτίμηση των δεδομένων αυτών, υπολογίζονται οι κρίσιμες διατμητικές τάσεις συναρτήσει της θερμοκρασίας (SFLS), της διεπιφάνειας των επικαλύψεων Τ1 και Τ2. Η άνοδος της θερμοκρασίας, περιορίζει σημαντικά την αντοχή σε διάτμηση των επικαλύψεων αυτών. Η επικάλυψη με την αυξημένη συνάφεια Τ1, αντέχει σε υψηλότερες διατμητικές τάσεις κατά την κοπή. Έτσι, μπορεί να χρησιμοποιηθεί επιτυχώς σε κατεργασίες κοπής. 2.4 Κατεργαστικότητα κραμάτων αλουμινίου Al κατά την κοπή Για την βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων, το αλουμίνιο κραματοποιείται με στοιχεία όπως το μαγγάνιο, το μαγνήσιο, το πυρίτιο, ο ψευδάργυρος και ο χαλκός. Τεμάχια κραμάτων αλουμινίου, που υπόκεινται σε κατεργασίες με αφαίρεση υλικού, έχουν παραχθεί μέσω μιας από τις δυνατότητες μορφοποίησης, που παρουσιάζονται στο σχήμα. Κάθε μια από αυτές τις μεθόδους, έχει διαφορετικό κόστος, οδηγεί όμως σε διαφορετικού επίπεδου μηχανικές ιδιότητες υλικού. Κατά την χύτευση υπό ατμοσφαιρική πίεση, το πορώδες της δομής του υλικού είναι αυξημένο, κυρίως λόγω της έκλυσης αέριων, κυρίως οξυγόνου, αζώτου και υδρογόνου, κατά τη στερεοποίηση με συνεπακόλουθη δραστική μείωση των μηχανικών ιδιοτήτων. Μέσω της χύτευσης υπό πίεση, επιτυγχάνεται μεν βελτίωση της μηχανικής αντοχής, καθώς και της διαστατικής ακριβείας, σε σχέση με την ατμοσφαιρική πίεση, αυξάνεται όμως το κόστος κατεργασίας και δεν αποφεύγεται το πορώδες της δομής, κυρίως λόγω εγκλωβισμού αέριων. Κατά την ημιστερεά χύτευση όπως και κατά τις διαδικασίες μορφοποίησης με παραμόρφωση υλικού, το αλουμίνιο σαν πρώτη ύλη έχει παραχθεί υπό συνθήκες συνεχούς χύτευσης, συνήθως με ηλεκτρομαγνητική ανάδευση ή και άλλες μεθοδολογίες, για την αποφυγή εγκλωβισμού αέριων και σχηματισμού ομοιόμορφων κρυσταλλογραφικών μορφών. Κατά την ημιστερεά χύτευση, το υλικό δεν υγροποιείται και τοιουτοτρόπως αποφεύγεται πλήρως το πρόβλημα του σχηματισμού πορώδους δομής λόγω έκλυσης αέριων. Κατά τις μορφοποιήσεις με παραμόρφωση υλικού βελτιώνονται μεν οι μηχανικές ιδιότητες, δημιουργούνται όμως, λόγω της κινηματικής της εκάστοτε κατεργασίας, ανισότροπες μηχανικές ιδιότητες. Αυτές οδηγούν και σε διαφορετικές κατεργαστικότητες, σε διάφορες κατευθύνσεις της γεωμετρίας των τεμαχίων, και για το λόγο αυτό, πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την κατεργασία. Κατά τις τελευταίες δυο αναφερθείσες δυνατότητες μορφοποίησης τεμαχίων αλουμινίου, οι μηχανικές ιδιότητες βελτιώνονται σημαντικά, αυξάνεται όμως συγχρόνως και το κόστος παράγωγης. 14

Η κατεργαστικότητα τεμαχίων αλουμινίου είναι υψηλή συγκριτικά με τα σιδηρούχα υλικά. Αυτό οφείλεται αφενός, στις χαμηλές θερμοκρασίες, που επικρατούν επί της επιφάνειας αποβλίττου, της τάξης μεγέθους των 350 O C, για να αποφευχθεί υγροποίηση των ευκολότηκτων κραμάτων αλουμινίου, μεταξύ περίπου των 520 και 680 O C, ανάλογα με την χημική σύσταση τους. Οι χαμηλές μηχανικές ιδιότητες αφετέρου, οδηγούν σε χαμηλές δυνάμεις κοπής, ενδεικτικά, περίπου κατά 30% μέχρι 50% χαμηλότερες σε σχέση με την κοπή χάλυβα, και σε περιορισμένες μηχανικές καταπονήσεις της κόψης. Από την άλλη πλευρά, το αλουμίνιο είναι ευκολοδιάλυτο σε διάφορα υλικά, με τάση να δημιουργίας συγκολλητών μικροδεσμών, σε χαμηλές ταχύτητες κοπής. Με συνεκτίμηση των προηγούμενων, η ταχύτητα κοπής κατά κατεργασίες με αφαίρεση υλικού από αλουμίνιο, προς τα κάτω μεν περιορίζεται από την φθορά των εργαλείων, λόγω αποκόλλησης των συγκολλητών μικροδεσμών, προς τα άνω δε από τη θερμοκρασία τήξης του κατεργαζόμενου υλικού. Το πορώδες, υγρά χυτευμένων τεμαχίων, επιδρά αρνητικά επί της φθοράς των εργαλείων, καθόσον δημιουργούνται δυναμικές φορτίσεις στη κόψη που οδηγούν στη θραύση της. Οι ταχύτητες κοπής είναι γενικά πολλαπλάσιες αυτών, που χρησιμοποιούνται κατά την κοπή χαλύβων. Οι επιτυγχανόμενες διάρκειες ζωής των κοπτικών εργαλείων κατά την κατεργασίες αλουμινίου, εξαρτώνται από τα κραματικά συστατικά του. Το αντίστοιχο στοιχείο με τον άνθρακα στους χάλυβες, όσον αφόρα την δημιουργία διαφόρων κρυσταλλογραφικών δομών, είναι το πυρίτιο στην περίπτωση του αλουμινίου. Το ευτηκτικό σημείο αντιστοιχεί σε περιεκτικότητα πυριτίου 12,5%. Σε χαμηλές περιεκτικότητες πυριτίου, το αλουμίνιο έχει ευκολοπαραμορφόσημο χωροκεντρικό κρυσταλλικό πλέγμα φάσης α, το οποίο οδηγεί στη δημιουργία «ψευδοαποβλίττων» (ΨΑ) μεταξύ της επιφάνειας ελευθερίας και του κατεργαζόμενου υλικού, όπως θα περιγραφεί στη συνέχεια. Τα ψευδο-απόβλιττα περιορίζουν δραστικά την ποιότητα κατεργασίας. Αύξηση της περιεκτικότητας του πυριτίου, διευκολύνει τη δημιουργία ασυνεχών αποβλήτων, που εύκολα απομακρύνονται από τη θέση επαφής εργαλείου τεμαχίου, συγχρόνως όμως προκαλούν και αύξηση της φθοράς μέσω μηχανισμών απόξεσης, οδηγούν σε διφασική κρυσταλλογραφική μορφή α, του αλουμινίου και β του πυριτίου. Η φάση β προκαλεί ψαθυρότητα και λόγω της διέλευσης της κοπτικής μέσα από τη σκληρή φάση β του πυριτίου, την όποια αποκόπτει. Επίσης η παρουσία μικρών ποσοτήτων οξειδίων του πυριτίου και του αλουμινίου, ευνοούν μεν τη θραύση αποβλίττων, λόγω της μεγάλης σκληρότητας τους, όμως οδηγούν και σε άνοδο της φθοράς. Η επίδραση της ταχύτητας κοπής και της φθοράς του εργαλείου στη δημιουργία ψευδοαποβλήττου, κατά την κοπή αλουμινίου, παρουσιάζεται στο σχήμα. Στην περίπτωση κραμάτων αλουμινίου λόγω της μεγάλης πλαστικότητας τους, η παραμόρφωση του κατεργαζόμενου υλικού στο επίπεδο διάτμησης, πλησίον της κόψης, επεκτείνεται σημαντικά, και μέσα στο ίδιο το τεμάχιο. Έτσι το υλικό, εν μέρει, αρχίζει να ρέει και στην κατεύθυνση της ταχύτητας κοπής, μεταξύ των επιφανειών ελευθερίας και του τεμαχίου. Η δημιουργία ψευδοαπόβλιττων επιτείνεται με την αύξηση της ταχύτητας κοπής, όπως και της φθοράς της 15

ελευθέρας επιφάνειας, παράμετροι που προκαλούν άνοδο της θερμοκρασίας και βελτίωση της πλαστικότητας του κατεργαζόμενου υλικού, πλησίον της κόψης. Η δημιουργία ψευδοαποβλίττων, μπορεί να οδηγήσει σε πλήρη απορύθμιση του μηχανισμού ροής του αποβλίττου. Κατά την κοπή του κράματος αλουμίνιου του σχήματος, με ταχύτητα κοπής 500m/min, συμφώνα με το σχετικό διάγραμμα, η κατεργασία μέχρι 0,12mm πλάτος ζώνης φθοράς VB, εκτυλίσσεται χωρίς τη δημιουργία ψευδοαποβλίττων. Για φθορές VB, μεγαλύτερες από 0,3mm, τόσο στη κυρία όσο και στην δευτερεύουσα κόψη του εργαλείου δημιουργούνται ψευδοαπόβλιττα σημαντικών διαστάσεων, που οδηγούν σε δραστική μείωση της ποιότητας κατεργασίας, σημαντική αύξηση της δύναμης κοπής, με πιθανή πρόκληση καταστροφών στο σύστημα εργαλείο-τεμάχιο-εργαλειομηχανή. Για την αποφυγή των ψευδοαποβλίττων συνίσταται η μείωση των θερμοκρασιών κατά την κοπή, μέσω της ελάττωσης της ταχύτητας κοπής, της χρησιμοποίησης αιχμηρών κόψεων, με έντονα θετικές γωνίες αποβλίττου. Επίσης προτείνεται η χρησιμοποίηση κοπτικών υλικών μεγάλης θερμικής αγωγιμότητας και γενικά συνθήκες κατεργασίας, που μετριάζουν την παραμόρφωση του υλικού πλησίον της κόψης, περιορίζοντας την πλαστικότητα του. Για την αποφυγή των ψευδοαποβλίττων είναι σκόπιμο να αλλάζουν τα εργαλεία, ανάλογα με την ταχύτητα κοπής, με μικρές τιμές φθοράς επιφάνειας ελευθέριας. Η απομάκρυνση των απόβλιττων από την εργαλειομηχανή, λόγω των μεγάλων όγκων που δημιουργούνται κατά τις κοπές αλουμινίου, αποτελεί ένα σημαντικό πρόβλημα. Η αντιμετώπιση του, κυρίως σε περιπτώσεις τεμαχίων αλουμινίου, προκατεργασμένων με παραμόρφωση υλικού, κατά την κοπή των οποίων δημιουργούνται συνεχή απόβλιττα, προϋποθέτει κατάλληλη επιλογή συνθηκών κατεργασίας, έτσι ώστε ο λόγος των όγκων απαραμόρφωτου, προς τον όγκο παραμορφωμένου αποβλίττου RZ, να έχει όσο το δυνατόν μικρότερες τιμές. Τα υγρά χυτευμένα αλουμίνια λόγω του πορώδους της δομής τους, οδηγούν στη δημιουργία ασυνεχών απόβλιττων, μικρού RZ και εύκολα απομακρύνονται από τη θέση της κατεργασίας. Στη συνέχεια τα απόβλιττα συμπιέζονται και αποστέλλονται για χύτευση. Τυπικά υλικά κοπτικών εργαλείων για την κατεργασία κραμάτων αλουμινίου είναι τα σκληρομέταλλα της ομάδας Κ, όπως και τα πολυκρυσταλλικά αδαμάντινα(dm), καθώς και ειδικές περιπτώσεις και τα μονοκρυσταλλικά, για την μεγάλη αντοχή τους σε αποξέσεις σε χαμηλές θερμοκρασίες κοπής και την αυξημένη θερμική αγωγιμότητα τους. Τα ίδια χαρακτηριστικά έχουν και οι CVD αδαμαντοεπικαλύψεις, οι οποίες χρησιμοποιούνται κατά την κοπή κραμάτων αλουμινίου, όπως το AlCuMGl, που προδιαμορφώνεται με πλαστική παραμόρφωση και η κρυσταλλογραφική μορφή του, περιέχει σκληρά συστατικά. Έτσι επιτυγχάνονται σημαντικές βελτιώσεις στη συμπεριφορά φθοράς των εργαλείων. Η ταχύτητα κοπής κατά τη χρησιμοποίηση σκληρομετάλλων, μπορεί να υπερβαίνει τα 1000mm/min, ενώ κατά την κοπή με αδαμαντοφόρα εργαλεία, ή αδαμαντοφόρες επικαλύψεις και τα 1500mm/min, κατά το τορνάρισμα. Ακόμα υψηλότερες είναι οι ταχύτητες αυτές σε 16

φραιζαρίσματα, που λόγω της διακοπτόμενης κοπής και της τοιουτοτρόπως ενδιάμεσης απόψυξης του εργαλείου, περιορίζεται η θερμοκρασία της κόψης. 2.4 Προσδιορισμός ιδιοτήτων των επικαλύψεων 2.4.1 Δοκιμασία νανοδιείσδυσης (nanoindendation tests) Με την τεχνική της νανοδιείσδυσης χαρακτηρίζονται οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών, υπολογίζοντας την σκληρότητα ενός υλικού (αντίσταση που προβάλλει σε φορτία που τείνουν να το παραμορφώσουν). Με τη βοήθεια τέτοιων μετρήσεων και με κατάλληλη εφαρμογή μιας FEM υπολογιστικής διαδικασίας ( SSCUBONI ) μπορούν να καθοριστούν οι καμπύλες τάσης παραμόρφωσης των υλικών όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 2.11. Πιο συγκεκριμένα υπολογίζεται το μέτρο ελαστικότητας το οποίο χαρακτηρίζει την ιδιότητα του υλικού να παραμορφώνεται ελαστικά όταν πάνω του ασκείται φορτίο, καθώς και το όριο διαρροής της επικάλυψης το οποίο χαρακτηρίζει το όριο στο οποίο το υλικό αρχίζει να παραμορφώνεται πλαστικά. Η νανοδιείσδυση βασίζεται στην ίδια ιδέα με εκείνη της συμβατικής σκληρομέτρησης, με τη διαφορά ότι χρησιμοποιούνται ακίδες με ακτίνα καμπυλότητας του άκρου της (R) λίγων δεκάδων νανομέτρων, των οποίων το αποτύπωμα είναι αδύνατο να καταγραφεί από οπτικό μικροσκόπιο, και το κυριότερο καταγράφεται συνεχώς, εκτός από το φορτίο (F) που ασκεί, και η κάθετη προς το επίπεδο του δείγματος μετατόπιση (h) της ακίδας, η οποία μπορεί να είναι λίγες δεκάδες νανόμετρα. Σχήμα 2.11: Τυπικό διάγραμμα νανοδιείσδυσης και χαρακτηριστικές μορφές αποκλίσεων αιχμών εισβολέων. Πρωταρχική απαίτηση κατά την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της νανοδιείσδυσης είναι η γνώση της ακριβούς γεωμετρίας της αιχμής του εισβολέα, δεδομένου ότι σε μικρά βάθη διείσδυσης μια απόκλιση από την ιδανική γεωμετρία της αιχμής επηρεάζει σημαντικά τα εξαγόμενα αποτελέσματα. Οι ακίδες των εντυπωτών κατασκευάζονται από πολύ σκληρά υλικά όπως διαμάντι, καρβίδια του βολφραμίου κ.λπ. και η γεωμετρία τους διαφέρει ανάλογα με το προς μελέτη υλικό. 17

Κατά την διαδικασία της νανοδιείσδυσης η ακίδα με γνωστές μηχανικές ιδιότητες διεισδύει στο δείγμα μέσω ελεγχόμενου φορτίου ή μετατόπισης και καταγράφεται η πορεία της εφαρμοζόμενης δύναμης συναρτήσει του βάθους διείσδυσης δίνοντας διαγράμματα φορτίουμετατόπισης. Το ελεγχόμενο φορτίο εφαρμόζεται βαθμιαία αυξανόμενο καθώς η ακίδα διεισδύει στο δείγμα μέχρι να φτάσει σε μία καθορισμένη από τον χρήστη μέγιστη τιμή φορτίου ή βάθους διείσδυσης. Παράλληλα πραγματοποιείται η καταγραφή του βάθους διείσδυσης σε δύο στάδια, στο στάδιο της φόρτισης αλλά και της αποφόρτισης. Σχήμα 2.12:Σχηματική παράσταση της διαδικασίας νανοδιείσδυσης και ένα τυπικό αποτέλεσμα αυτής. Στο σχήμα 2.12 παριστάνεται σχηματικά η διαδικασία καθώς και ένα ποιοτικό διάγραμμα του εφαρμοζόμενου φορτίου σε συνάρτηση με το βάθος διείσδυσης. Κατά την αποφόρτιση, ένα εναπομένον βάθος h p παραμένει λόγω πλαστικής παραμόρφωσης. Το εναπομένον βάθος εξαρτάται από τις ιδιότητες του υλικού, το μέγεθος της εφαρμοζόμενης δύναμης και τη γεωμετρία του εισβολέα. Κατά τις δοκιμές νανοδιεισδύσεων, δίδεται ιδιαίτερη προσοχή στην τραχύτητα των εξεταζόμενων επιφανειών. Επαφή του εισβολέα με κοίλες επιφανειακές διαμορφώσεις λόγω τραχύτητας, οδηγούν σε μικρότερο βάθος διείσδυσης, ενώ επαφή του εισβολέα με κυρτά διαμορφωμένες τραχύτητες, επιτρέπει τη διείσδυσή του σε μεγαλύτερο βάθος για την ίδια δύναμη F, μέχρι την επίτευξη της ίδιας οριζόντιας επιφάνειας επαφής. Για την υπερνίκηση του προβλήματος αυτού είναι απαραίτητος ένας μεγάλος αριθμός μετρήσεων. 2.4.2 Δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης (impact test) Στην πράξη οι περισσότερες μηχανολογικές κατασκευές δεν υφίστανται την επίδραση ενός χρονικά σταθερού φορτίου. Τις περισσότερες φορές ο τύπος και η τιμή του φορτίου μεταβάλλονται με το χρόνο. Έτσι, πολλά από τα τεχνικά υλικά υπόκεινται σε χρονικά μεταβαλλόμενα φορτία ή τάσεις στις διάφορες τεχνολογικές εφαρμογές, στις οποίες συμμετέχουν ως λειτουργικά εξαρτήματα. Αυτές οι τάσεις, στην πλειοψηφία των περιπτώσεων, καταπονούν το υλικό σε εφελκυσμό και σε θλίψη και η μέγιστη τιμή της τάσης 18

δεν ξεπερνά το όριο διαρροής του υλικού. Τέτοιες περιοδικές καταπονήσεις υφίστανται πολλά μεταλλικά εξαρτήματα, όπως ο διωστήρας στις μηχανές εσωτερικής καύσης, τα αμορτισέρ των αυτοκινήτων, τα πτερύγια των αεροσκαφών και πολλά άλλα. Οι επαναλαμβανόμενες αυτές μηχανικές καταπονήσεις, που αναπτύσσονται σε υλικά - εξαρτήματα μηχανών και κατασκευών, πολύ συχνά οδηγούν, μετά από κάποιες συγκεκριμένες χρονικές περιόδους, σε αστοχίες που είναι γνωστές ως αστοχίες λόγω κόπωσης. Πολύ απλά, κόπωση μπορεί να ορισθεί ως η χαρακτηριστική χρονικά μεταβαλλόμενη καταπόνηση, η οποία μετά από συγκεκριμένο χρονικό διάστημα, μπορεί να οδηγήσει σε αστοχία του υλικού (θραύση από κόπωση). Το όριο διαρροής είναι μέτρο της λεγόμενης στατικής αντοχής του υλικού. Στην περίπτωση της κόπωσης, το αντίστοιχο όριο είναι κατώτερο του στατικού και αντιστοιχεί στη δυναμική αντοχή του υλικού. Το δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης που απεικονίζεται στο Σχήμα 2.13, αποτελεί μια ευρέως διαδεδομένη μέθοδο για το χαρακτηρισμό των ιδιοτήτων κόπωσης των επικαλύψεων. Κατά τη διάρκεια της επαναλαμβανόμενης κρούσης ένας διεισδυτής σφαιρικής γεωμετρίας, συνήθως από σκληρομέταλλο ή κεραμικό υλικό, διεισδύει περιοδικά στην επικάλυψη με μια συγκεκριμένη δύναμη. Εξαιτίας της πλαστικής παραμόρφωσης του υποστρώματος που αναπτύσσεται κατά τη φόρτιση, η περιοχή επαφής δεν επανέρχεται στην αρχική επίπεδη μορφή και συνεπώς δημιουργείται ένα κοίλο αποτύπωμα. 19

Σχήμα 2.13:Δοκιμασία κάθετης επαναλαμβανόμενης κρούσης και λογισμικό αξιολόγησης ItecPlus. Ο προσδιορισμός της έναρξης της αστοχίας μετά από 10 6 κρούσεις, και άρα της θραύσης της επικάλυψης, μπορεί να ανιχνευθεί με διάφορους τρόπους. Ένας συνήθης τρόπος είναι με τη βοήθεια μικροαναλύσεων EDX (Electron Discharge X-ray micro-analysis), ηλεκτρικού μικροσκοπίου. Ένας άλλος, είναι με την βοήθεια ηλεκτρονικού σαρωτικού μικροσκοπίου λευκού φωτός και τη μέθοδο των τομών κατά μήκος του αποτυπώματος. Στη συνέχεια, γίνεται επιπλέον αξιολόγηση των αποτελεσμάτων με τη χρήση του ειδικού λογισμικού ItecPlus και προκύπτουν η κατανομή των ισοδύναμων τάσεων κατά von Mises, η ακτίνα του αποτυπώματος πριν και μετά την αστοχία της επικάλυψης, καθώς και τα διαγράμματα Smith και Woehler. Σχηματικά η διαδικασία επεξηγείται στο Σχήμα 2.14. Έτσι μπορεί να προσδιοριστεί το όριο διαρκούς αντοχής των επικαλύψεων, που αντιστοιχεί στη μέγιστη δύναμη για την οποία δεν παρατηρείται αστοχία της επικάλυψης θεωρητικά για απεριόριστο αριθμό κρούσεων. 20

Σχήμα 2.14: Κάθετη δοκιμή επαναλαμβανόμενης κρούσης, αξιολόγηση των αποτελεσμάτων μέσω μικροαναλύσεων EDX και λογισμικό αξιολόγησης ItecPlus. Η ποιότητα της συνάφειας της επικάλυψης με το υπόστρωμα της είναι ένα μέγεθος μεγάλης σπουδαιότητας. Ανεπαρκής συνάφεια επικαλύψεων κοπτικών εργαλείων αυξάνει σημαντικά τις τάσεις εντος αυτής κατά την κοπή και οδηγεί σε γρήγορη αστοχία της. Για τον έλεγχο της ποιότητας της συνάφειας επικαλύψεων έχουν αναπτυχτεί διάφορες μέθοδοι, όπως η δοκιμασία διείσδυσης με κωνικό αδαμάντινο εισβολέα τύπου Rockwell και η δοκιμή χάραξης (scratch test). Μέσω της δοκιμασίας διείσδυσης τύπου Rockwell γίνεται μόνο ποιοτική αξιολόγηση της συνάφειας. Η ποσοτική αξιολόγηση της συνάφειας επιτυγχάνεται μέσω της δοκιμής χάραξης. Ωστόσο, τα μεγέθη που προκύπτουν από αυτή τη δοκιμή (κρίσιμη δύναμη ή διαδρομή) είναι συνδεδεμένα με τις συνθήκες διεξαγωγής του πειράματος και δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν γενικής χρήσεως ιδιότητες αντοχής της διεπιφάνειας μεταξύ της επικάλυψης και του υποστρώματος της. Επίσης δεν αποσυμπλέκεται η αντοχή του υλικού της επικάλυψης από την ποιότητα της συνάφειας, μεγέθη που επιδρούν συγχρόνως στο αποτέλεσμα της δοκιμής χάραξης. Η δοκιμασία της πλάγιας κρούσης, υπερπηδά το πρόβλημα αυτό, καθόσον επιτρέπει ποσοτικοποίηση του λόγου αντοχής της διεπιφάνειας επικάλυψης-υποστρώματος, σε δυο κατευθύνσεις, την κάθετη και την εφαπτομενική προς αυτήν. Κατά τη δοκιμή της πλάγιας κρούσης, το δοκίμιο τοποθετείται πλάγια προς τον άξονα της ατράκτου του σφαιρικού εισβολέα, υπό γωνία θ, μέσω κατάλληλης ιδιοσκευής. Λόγω της γωνίας θ, αναπτύσσονται κατά την κρούση, σημαντικές εφαπτομενικές δυνάμεις επί της 21

επιφάνειας των δοκιμίων, με αποτέλεσμα η επικάλυψη να καταπονείται και να καταπονεί μέσω της διεπιφάνειας της το υπόστρωμα, με σημαντικές μεταξύ άλλων διατμητικές τάσεις. Τοιουτοτρόπως, σε μικρότερες δυνάμεις σε σχέση με την καθετή δοκιμασία κρούσης προκαλούνται ισοδύναμες κατά Von Misses τάσεις ικανές να οδηγήσουν στην αστοχία της επικάλυψης. 2.5 Φθορά κοπτικών εργαλείων 2.5.1 Περιγραφή της φθοράς κοπτικών εργαλείων Με τον όρο φθορά (wear) περιγράφεται η διαδικασία απομάκρυνσης υλικού από ένα ή και από τα δύο σώματα, τα οποία βρίσκονται σε επαφή και σε σχετική κίνηση μεταξύ τους. Το κοπτικό εργαλείο κατά την κοπή υπόκειται σε υψηλές τάσεις στην περιοχή της κοπτικής ακμής που το καταπονούν ιδιαίτερα. Αυτές οφείλονται στην πλαστική παραμόρφωση του κατεργαζόμενου υλικού στη ζώνη διάτμησης, σε τριβές και πλαστική παραμόρφωση του αποβλίττου στη ζώνη επαφής εργαλείου αποβλίττου, καθώς επίσης και σε θραύση του κατεργαζόμενου υλικού για το σχηματισμό νέας επιφάνειας. Επιπρόσθετα, παρατηρείται ανάπτυξη υψηλών και ακανόνιστα κατανεμημένων θερμοκρασιακών πεδίων (της τάξης των 1200 Ο C), που παρουσιάζουν επιπλέον υψηλούς ρυθμούς αύξησης της θερμοκρασίας (της τάξης των 10 6 Ο C/s) και απότομες βαθμώσεις (μεταβολές από θέση σε θέση κατά μήκος της κοπτικής ακμής). Τα παραπάνω σε συνδυασμό με διάφορες φυσικοχημικές αντιδράσεις μεταξύ των υλικών αποβλίττου και κοπτικού εργαλείου οδηγούν σε επιτάχυνση της εξέλιξης της φθοράς των εργαλείων. 2.5.2 Μηχανισμοί φθοράς επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων Είναι γνωστό ότι η διάρκεια ζωής ενός κοπτικού εργαλείου είναι ένας από τους σημαντικότερους παράγοντες κατά την κοπή των μετάλλων, επειδή επηρεάζει αποφασιστικά το κόστος κατεργασίας. Είναι συνεπώς σημαντική η γνώση, όσο το δυνατόν ακριβέστερα, της σχέσης μεταξύ της διαρκείας ζωής του κοπτικού και των συνθηκών κοπής όπως: η ταχύτητα κοπής, η πρόωση (f z ), τα βάθη κοπής (ακτινικό και αξονικό) κ.ά. Η διάρκεια ζωής αποκτά μεγαλύτερη σημασία με την εμφάνιση στην παραγωγή των ψηφιακά καθοδηγούμενων εργαλειομηχανών, οι οποίες αφ' ενός έχουν μεγάλες δυνατότητες από άποψη ακρίβειας, ισχύος και φάσματος στροφών και προώσεων, αφ' ετέρου έχουν μεγάλο κόστος κτήσεως και λειτουργίας. Πρέπει λοιπόν να εργάζονται με βέλτιστες συνθήκες κοπής και με ελάχιστους νεκρούς χρόνους. Για την επιβράδυνση της εξέλιξης της φθοράς των κοπτικών εργαλείων χρησιμοποιούνται πλέον λεπτά υμενίδια (φιλμ) επικαλύψεων. Οι PVD επικαλύψεις θεωρούνται πλέον δεδομένες για την προστασία των κοπτικών εργαλείων από την φθορά. Σήμερα, η 22

βιομηχανία επικαλύψεων παρέχει πολλές επιλογές και παραλλαγές λεπτών σκληρών επικαλύψεων για την προστασία των εργαλείων. Οι μηχανισμοί που εκτυλίσσονται κατά την κοπή και οδηγούν στην αστοχία του επικαλυμμένου κοπτικού εργαλείου, διακρίνονται σε αυτούς που αφορούν τη φθορά της επικάλυψης και σε αυτούς που διέπουν τη φθορά του υποστρώματός τους. Οι επικαλύψεις προστατεύουν το κοπτικό εργαλείο με διάφορους τρόπους: Εξαιτίας των πολύ ανώτερων μηχανικών ιδιοτήτων τους σε σχέση με τις αντίστοιχες του υποστρώματος, οι μέγιστες αναπτυσσόμενες τάσεις είναι χαμηλότερες του ορίου διαρροής τους Λόγω της πυκνής κρυσταλλοδομής τους Λόγω των θερμομονωτικών ιδιοτήτων τους, που προστατεύει το υπόστρωμα από τα μεγάλα ποσά θερμότητας που παράγονται κατά την κοπή. Οι μηχανισμοί φθοράς της επικάλυψης που λαμβάνουν χώρα κατά την εξέλιξη της φθοράς των κοπτικών εργαλείων είναι: Αστοχία λόγω μηχανικής υπερφόρτισης (που μπορεί να οφείλεται είτε στην γεωμετρία του κοπτικού πλακιδίου είτε στην κινηματική και στις συνθήκες κοπής που επιλεχτήκαν). Αστοχία λόγω κόπωσης. Αστοχία λόγω φαινομένων οξείδωσης και διάχυσης Αστοχία λόγω κακής συνάφειας υποστρώματος-επικάλυψης. Αστοχία λόγω αυξημένης ψαθυρότητας της επικάλυψης, παράγοντας που μπορεί να επιδράσει καταλυτικά, ιδιαίτερα σε διακοπτόμενη κοπή (φραιζάρισμα). Αστοχία λόγω συναφειακών μικρο-συγκολλήσεων Έχει αποδειχθεί, μεταξύ άλλων, ότι υπάρχει εξάρτηση της φθοράς του εργαλείου και της επικάλυψης από τις συνθήκες κοπής αλλά και το είδος της κατεργασίας. Ένας πολύ σημαντικός παράγοντας είναι αν η δημιουργία του αποβλίττου είναι συνεχής ή μη συνεχής. Κλασσικό παράδειγμα συνεχούς αποβλίττου είναι το τορνάρισμα ενώ ασυνεχούς το φραιζάρισμα. Οι μηχανισμοί φθοράς που κυριαρχούν κατά το φραιζάρισμα χάλυβα φαίνονται στο Σχήμα 2.15. 23

Σχήμα 2.15: Μηχανισμοί φθοράς που αναπτύσσονται στο εργαλείο κατά τις διεργασίες αφαίρεσης υλικού. Οι μηχανικές υπερφορτίσεις αλλά και η υπέρβαση του ορίου αντοχής σε κόπωση κατά την διάρκεια αφαίρεσης υλικού, οδηγούν σε μικρο-θραύσεις της επικάλυψης, κυρίως στη μεταβατική περιοχή από την επιφάνεια ελευθερίας στην επιφάνεια αποβλίττου (περιοχή Ι). Η ανάπτυξη αυτού του μηχανισμού αυξάνει τη φθορά στην επιφάνεια ελευθερίας σε χαμηλές ταχύτητες κοπής, χωρίς ταυτόχρονα, να υπάρχει σημαντική φθορά στην επιφάνεια αποβλίττου, και προκαλεί αστοχία του εργαλείου. Επιπλέον, ανάλογα με την θερμοκρασία που αναπτύσσεται και την σύσταση της επικάλυψης, μηχανισμοί οξείδωσης και διάχυσης παρατηρούνται σε υψηλότερες ταχύτητες κοπής, κυρίως στη επιφάνεια αποβλίττου (περιοχή ΙΙ). Λόγω των μηχανισμών αυτών, παρατηρείται μια χειροτέρευση των μηχανικών ιδιοτήτων της επικάλυψης, η οποία επιταχύνει την φθορά λόγω τριβής. Επιπρόσθετα, η ποιότητα της συνάφειας επηρεάζει σημαντικά την φθορά της επικάλυψης, αφού ανεπαρκής σύνδεση της επικάλυψης με το υπόστρωμα αυξάνει τις τάσεις που αναπτύσσονται. Οι μηχανισμοί αυτοί αναπτύσσονται στην περιοχή Ι της κοπτικής ακμής και οδηγούν σε αστοχία της επικάλυψης και απότομη φθορά. Εν τέλει, οι συναφειακές μικροσυγκολλήσεις που οδηγούν σε αποδόμηση της επικάλυψης στις χαμηλές ταχύτητες κοπής, είναι αποτέλεσμα κάποιων κοινών στοιχείων επαφής μεταξύ των υλικών κατεργαζόμενου τεμαχίου και επικάλυψης. Κατά το φραιζάρισμα, κρουστικά φορτία με διαφορετικά μεγέθη και διάρκειες ασκούνται στην κοπτική ακμή του εργαλείου, τα οποία μπορεί να οδηγήσουν σε αστοχία λόγω κόπωσης της επικάλυψης και επιπρόσθετα σε αυξημένη φθορά του εργαλείου. Οι ιδιότητες κόπωσης της επικάλυψης που δημιουργήθηκε με φυσική εναπόθεση ατμών σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος και υψηλότερες, προσδιορίστηκαν μέσω δοκιμών κάθετης κρούσης.οι μηχανισμοί έναρξης της αστοχίας λόγω κόπωσης των επικαλύψεων και η περαιτέρω εξέλιξή τους, έχουν επίσης διερευνηθεί διεξοδικά μέσω δοκιμών κρούσης. Επιπλέον, μέσω αναλυτικής αξιολόγησης της δοκιμασίας νανοδιείσδυσης και της κάθετης κρούσης, 24

καθορίζονται οι τάσεις αντοχής σε κόπωση της επικάλυψης με τη μορφή διαγραμμάτων Woehler. Κατά τη δοκιμασία της κρούσης, οι συνθήκες φόρτισης της επικάλυψης, και η θερμοκρασία ρυθμίζονται κατάλληλα για να περιγραφούν πλήρως οι συνθήκες που εμφανίζονται κατά το φραιζάρισμα στην περιοχή της κοπτικής ακμής του εργαλείου. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα που απεικονίζει την πρώτη αποκάλυψη του υποστρώματος ενός επικαλυμμένου εργαλείου συναρτήσει του αριθμού των κρούσεων κατά το φραιζάρισμα παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.16. Η πρώτη αστοχία της επικάλυψης, και κατ επέκταση, αποκάλυψη του υποστρώματος, εμφανίζεται περίπου μετά από 4000 κρούσεις, κάτι που φαίνεται και από στοιχειομετρήσεις με ηλεκτρονική μικροσκοπία στις περιοχές Α και Β. Σχήμα 2.16: Εξέλιξη της φθοράς της επικάλυψης για τορνάρισμα και φραιζάρισμα. Στην περιοχή Β, εντοπίστηκαν χημικά στοιχεία, όπως βολφράμιο και κοβάλτιο. Στην περιοχή Α (επιφάνεια αποβλίττου), λόγω των χαμηλών μηχανικών και θερμικών φορτίων που συνδέονται με τις συνθήκες κοπής, δεν παρατηρείται αστοχία της επικάλυψης. Αντίθετα, κατά το τορνάρισμα, με τα ίδια εργαλεία και υλικά, καθότι η διαδικασία είναι συνεχής και δεν υπάρχουν κρουστικά φορτία στην κοπτική ακμή, η φθορά στην επιφάνεια ελευθερίας είναι 25

δραστικά μειωμένη, όπως φαίνεται στο ίδιο σχήμα. Κατά την περίπτωση αυτή, οι μηχανισμοί φθοράς που επικρατούν είναι η μηχανική υπερφόρτιση και απόξεση και όχι η κόπωση. Η διάρκεια ζωής του εργαλείου, στην περίπτωση αυτή εξαρτάται έντονα από την ταχύτητα κοπής, άρα και την θερμοκρασία που αναπτύσσεται, καθότι τα φαινόμενα αποξέσεων που διέπουν τα τελευταία στάδια της κοπής, σχετίζονται με την παράμετρο αυτή. Η μείωση των τάσεων στην περιοχή επαφής λόγω του σχηματισμού του αποβλίττου καθώς η επικάλυψη αστοχεί προοδευτικά, βελτιώνει τη ροή θερμότητας στο εργαλείο, αυξάνει την παραμόρφωση του αποβλίττου καθώς και την κοινή περιοχή επαφής εργαλείου-τεμαχίου. Έτσι μειώνονται οι τάσεις τοπικά, κάτι που οδηγεί σε βελτίωση της διάρκειας ζωής του εργαλείου. Σχήμα 2.17: Προσδοκώμενη πρώτη αστοχία της επικάλυψης κατά το φραιζάρισμα βάσει του διαγράμματος Woehler. Η μεγάλη αυτή διαφοροποίηση στην εξέλιξη της φθοράς φανερώνει πόσο επίπονα είναι τα δυναμικά φορτία για την επικάλυψη και πόσο διαφορετική είναι η συμπεριφορά της σε επίπεδο μηχανικών ιδιοτήτων. Επιπλέον, η μέγιστη vonmises τάση που προκύπτει με υπολογισμούς πεπερασμένων στοιχείων, ανέρχεται σε 4.2 GPa περίπου και αναπτύσσεται στην περιοχή μεταξύ της επιφάνειας αποβλίττου και ελευθερίας. Η τιμή αυτή εισάγεται στο σχετικό διάγραμμα Woehler όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 2.18. Με τον τρόπο αυτό μπορεί να προκύψει η πληροφορία ότι για αυτό το μέγεθος της τάσης, η αστοχία της επικάλυψης λόγω κόπωσης αναμένεται μετά από 4.000 κρούσεις. Ο αριθμός αυτός αντιστοιχεί στον αριθμό των κοπών μέχρι την πρώτη θραύση της επικάλυψης που απεικονίζεται στο σχήμα 2.17. Βάσει όσων αναλύθηκαν παραπάνω, καθίσταται αναγκαία η περαιτέρω διερεύνηση των ιδιοτήτων κόπωσης. Είναι εμφανές ότι με τις υπάρχουσες διατάξεις και μεθοδολογίες δεν μπορεί να προκύψει άμεσα κάποια ποσοτική αξιολόγηση των ιδιοτήτων που προκαλούν τις 26

τόσο μεγάλες διαφοροποιήσεις στην συμπεριφορά των επικαλύψεων ανάλογα την περίπτωση. 27

3. Σκοπός εργασίας Η έλλειψη βασικών πληροφοριών σχετικά με τους μηχανισμούς φθοράς του υποστρώματος και της επικάλυψης κατά τη διάρκεια της αφαίρεσης υλικού, αποτελεί μέχρι και σήμερα, το πλέον σημαντικό πρόβλημα στον τομέα της ανάπτυξης και τεχνολογίας των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων. Κατά συνέπεια, είναι αναπόφευκτη η διεξαγωγή δαπανηρών πειραμάτων προσδιορισμού κατάλληλων συνδυασμών επικαλύψεων υποστρώματος. Η αυξημένη διάρκεια ζωής του επικαλυμμένου κοπτικού εργαλείου εξαρτάται από ένα πλήθος παραγόντων, όπως η εντατική κατάσταση που δημιουργείται στο κοπτικό εργαλείο κατά την διάρκεια της κατεργασίας, η γεωμετρία του κοπτικού εργαλείου, η ύπαρξη πολυστρωματικών επικαλύψεων καθώς και το πάχος της επικάλυψης. Όλοι οι παραπάνω παράγοντες σε συνδυασμό με τις μηχανικές ιδιότητες των υλικών πρέπει να λαμβάνονται υπόψη για την βελτιστοποίηση των συστημάτων επικάλυψης-υποστρώματος. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η πειραματική διερεύνηση της εφαρμογής πολυστρωματικών και νανοδομημένων αδαμαντοεπικαλύψεων, επί των ιδιοτήτων κόπωσης, συνάφειας υποστρώματος-επικάλυψης και της απόδοσης κοπής. Επιπλέον διερευνήθηκε η επίδραση της διάρκειας ανόπτησης στην απόδοση κοπής των νανοδομημένων αδαμαντοεπικαλύψεων. Η σύγκριση των πολυστρωματικών με τις νανοδομημένες αδαμαντοεπικαλύψεις σε απόδοση κοπής, διεξήχθη επί τριών κατεργαζόμενων υλικών αλουμινίου διαφορετικής κατεργαστικότητας. Το πεδίο της έρευνας, μέχρις στιγμής, δεν έχει μελετηθεί σε βάθος. Για το λόγο αυτό, η παρούσα εργασία αποτελεί μια αρκετά καλή διεύρυνση των γνώσεων επί της βελτιστοποίησης των αδαμαντοεπικαλύψεων. 28

4.Πειραματικές διατάξεις 4.1.Συσκευή νανοσκληρομέτρησης Σημαντική παράμετρος για την εξέλιξη των επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων αποτελεί η γνώση των μηχανικών ιδιοτήτων αντοχής και της σκληρότητας των επικαλύψεων. Οι σύγχρονες συσκευές νανοδιείσδυσης παρέχουν τη δυνατότητα εκτίμησης των ιδιοτήτων αντοχής των υλικών. Για τον προσδιορισμό τους χρησιμοποιήθηκε το Νανοσκληρόμετρο FISCHERSCOPE H100 της εταιρίας Helmut FISCHER GmbH & Co που παρουσιάζεται στο σχήμα 4.1. Η αρχή λειτουργίας του βασίζεται στη διείσδυση κατάλληλου εισβολέα στην επικάλυψη και τον έμμεσο προσδιορισμό των διαστάσεων του αποτυπώματος, μέσω της μέτρησης του βάθους διείσδυσης. Ο εισβολέας μπορεί να είναι αδαμάντινος τύπου Berkovich, Vickers ή μεταλλική σφαίρα διαμέτρου 0.5 2 mm. Η συσκευή είναι πλήρως αυτοματοποιημένη μέσω του ειδικού λογισμικού WIN-HCU ver.3.1. Η τράπεζα εργασίας μπορεί να μετακινηθεί σε περιοχή 50x50 mm, ενώ η καθοδήγηση της γίνεται είτε μέσω υπολογιστή είτε με ειδικό χειριστήριο. Η ακρίβεια στην κατεύθυνση XY είναι της τάξεως των 10 μm. Το εφαρμοζόμενο φορτίο μπορεί να ποικίλει από 1 μέχρι 1000 mn με διακριτοποίηση 0.1 mn. Ορισμένες από τις δυνατότητες της συσκευής είναι η εύρεση της Γενικευμένης Σκληρότητας (Universal Hardness HU), η οποία δύναται να μετατραπεί σε σκληρότητα Vickers σύμφωνα με τη διαδικασία που προδιαγράφεται από το DIN 50359, και η απευθείας μέτρηση της σκληρότητας Vickers με βάση το DIN 50153. Σχήμα 4.1: Νανοσκληρόμετρο FISCHERSCOPE H100 της εταιρείας FISCHER GmbH & Co. 29

4.2 Οπτική και σαρωτική ηλεκτρονική μικροσκοπία Η μελέτη της επιφάνειας δοκιμίων, της φθοράς καθώς και όλων των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από όλες τις διεργασίες που περιγράφηκαν, απαιτεί τη χρήση μικροσκοπίων. Κατά τη διάρκεια της παρούσας εργασίας χρησιμοποιήθηκαν διαφόρων τύπων μικροσκόπια, τα οποία και περιγράφονται παρακάτω. 4.2.1 Δισδιάστατο σαρωτικό μικροσκόπιο Ο έλεγχος της φθοράς της επικάλυψης, καθώς και όλων των αποτυπωμάτων που προκύπτουν από τις διεργασίες που περιγράφηκαν, απαιτεί τη χρήση μικροσκοπίων. Κατά τη διάρκεια της παρούσας εργασίας χρησιμοποιήθηκαν διαφόρων τύπων μικροσκόπια. Σε αυτήν την παράγραφο παρουσιάζεται το ομοεστιακό μικροσκόπιο μsurf της εταιρίας NanoFocusAG, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.4. Πρόκειται για ένα μικροσκόπιο ιδιαίτερα εξελιγμένο που παρέχει τη δυνατότητα τρισδιάστατης απεικόνισης του αποτυπώματος και οπτικής αξιολόγησης της αστοχίας ή όχι, της επικάλυψης. Ένας φακός υψηλής εστίασης χρησιμοποιείται για την απεικόνιση και την καταγραφή μέσω φωτογραφίας ενός επιπέδου μέσω της αντανάκλασης του φωτός, που προσπίπτει στην προς καταγραφή επιφάνεια. Ο χειριστής ορίζει μία περιοχή ύψους ανάμεσα στην οποία γίνεται βηματική καταγραφή των περιοχών της επιφάνειας. Μέσω κατάλληλου λογισμικού γίνεται η σύνθεση των πληροφοριών και η παρουσίαση τους σαν μια ενιαία τρισδιάστατη επιφάνεια. Ο χειριστής μπορεί να ρυθμίσει τόσο την ακρίβεια της διαίρεσης της περιοχής μέτρησης, όσο και την ένταση του φωτός που προσπίπτει στην επιφάνεια και χρησιμοποιείται για τη μέτρηση. Πριν τη διαδικασία της μέτρησης, τα δοκίμια πρέπει να καθαριστούν με αλκοόλη για καλύτερα αποτελέσματα, ενώ για την τοποθέτηση των πλακιδίων κάτω από το φακό χρησιμοποιείται ιδιοσυσκευή που εξασφάλιζε την ακριβή θέση του δοκιμίου κάθε φορά πάνω στην τράπεζα. 30

Σχήμα 4.4: Ομοεστιακό μικροσκόπιο μsurf και αρχή λειτουργίας του. 4.2.2 Οπτικό μικροσκόπιο Ο έλεγχος της φθοράς των επιφανειών ελευθερίας και αποβλίττου των εξεταζόμενων δοκιμίων σε διάφορα στάδια της κοπής, σε διάφορες ταχύτητες και προώσεις, καθώς και η αξιολόγηση Σχήμα 4.5: Οπτικό μικροσκόπιο της εταιρίας Zeiss. 31

των αποτυπωμάτων που προέκυψαν από τα πειράματα επαναλαμβανόμενης κρούσης, έγιναν με τη βοήθεια στερεοσκοπικού Μικροσκοπίου. Στο Σχήμα 4.5 φαίνεται το στερεοσκοπικό μικροσκόπιο τύπου Stemi 2000-C της εταιρίας Zeiss, το οποίο είναι συνδεδεμένο με υπολογιστή και έχει τη δυνατότητα λήψης και αποθήκευσης των φωτογραφιών. 4.3 Κάθετο δοκιμαστήριο κρούσης Προκειμένου να χαρακτηριστεί η επάρκεια της ένωσης επικάλυψης και υποστρώματος για την αντοχή σε δυναμικές συνθήκες φόρτισης, αναπτύχθηκε μια τεχνική ελέγχου, η λεγόμενη δοκιμή κρούσης. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η δοκιμασία αυτή αποτελεί μια αξιόπιστη μέθοδο για τον χαρακτηρισμό της δυναμικής συμπεριφοράς των επικαλύψεων, καθορίζοντας ποσοτικά τη συμπεριφορά κόπωσης του συστήματος επικάλυψης και υποστρώματος υπό μορφή γενικών διαγραμμάτων δυναμικής αντοχής. Επιπλέον ο έλεγχος και η ποσοτικοποίηση της συνάφειας της επικάλυψης, επιτυγχάνεται με τη δοκιμή πλάγιας κρούσης. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η δοκιμασία αυτή εξάγει αξιόπιστα αποτελέσματα για τη συνάφεια της επικάλυψης, καθορίζοντας ποσοτικά το λόγο αντοχής της διεπιφάνειας επικάλυψης-υποστρώματος υπό μορφή διαγραμμάτων δυναμικής αντοχής τύπου-woehler. Η κύρια διάταξη αποτελείται από τρία βασικά τμήματα, το μηχανικό τμήμα, τον πίνακα ελέγχου και τη μονάδα ελέγχου. Μια σχηματική αναπαράσταση παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.7. Βασικό ρόλο στην λειτουργία του δοκιμαστηρίου επαναλαμβανόμενης κρούσης διαδραματίζει η μονάδα τροφοδοσίας ισχύος. Η συγκεκριμένη μονάδα υποστηρίζει ολόκληρη την πειραματική εγκατάσταση. Η επίτευξη διαφορετικών δυνάμεων πρόσκρουσης έγκειται στον πλήρη έλεγχο της ηλεκτρικής τάσης στην έξοδο της μονάδας, μέσω ενός αυτομετασχηματιστή. Επίσης, ολόκληρη η πειραματική διαδικασία ελέγχεται και εποπτεύεται μέσω της μονάδας ελέγχου. Η συγκεκριμένη μονάδα απαρτίζεται από έναν προσωπικό υπολογιστή (PC) εφοδιασμένο με έναν ελεγκτή PID (αναλογικός, διαφορικός, ολοκληρωτικός). Η χρήση του παραπάνω ελεγκτή κρίνεται απαραίτητη, δεδομένου ότι με την βοήθεια του εκκινεί και τερματίζει η διαδικασία του πειράματος καθώς και ρυθμίζει την ένταση του ρεύματος εξόδου στον αυτομετασχηματιστή μέσω ενός κινητήρα συνεχούς ρεύματος (DC), ώστε να υπάρχει δυνατότητα μέτρησης της δύναμης κρούσης, της έντασης του ρεύματος και της θερμοκρασίας εντός του δοκιμαστηρίου. Κατά τη δοκιμή της πλάγιας κρούσης, το δοκίμιο τοποθετείται πλάγια προς τον άξονα της ατράκτου του σφαιρικού εισβολέα, υπό γωνία θ, μέσω κατάλληλης ιδιοσκευής. Η γωνία κλίσης θ της επικαλυμμένης επιφάνειας με τη διεύθυνση της δύναμης φόρτισης βρίσκεται μεταξύ 0 και 15 o. Μεγαλύτερες τιμές της γωνίας αυτής είναι προτιμότερο να αποφεύγονται, καθώς η εφαπτομενική συνιστώσα του φορτίου της κρούσης αυξάνεται απότομα, οδηγώντας σε επιταχυνόμενη αστοχία της επικάλυψης. 32

Σχήμα 4.7: Γενική άποψη του δοκιμαστηρίου κρουστικού ελέγχου. Η πειραματική διαδικασία υποστηρίζεται από ανάλογο λογισμικό για τον προσδιορισμό της αντοχής της επικάλυψης σε κόπωση με την μορφή διαγραμμάτων Smith και Woehler, μέσω ενός πλήρους αυτόματου λογισμικού, του ITEC, το οποίο διατίθεται μαζί με το δοκιμαστήριο. Το συγκεκριμένο λογισμικό στηρίζεται στην προσομοίωση του πειράματος με την βοήθεια πεπερασμένων στοιχείων (FEM). Εξαιτίας της πλαστικής παραμόρφωσης του υποστρώματος που αναπτύσσεται κατά τη διάρκεια της φόρτισης, η περιοχή επαφής δεν επανέρχεται στην αρχική της επίπεδη μορφή και έτσι δημιουργείται ένα κοίλο αποτύπωμα. Το αποτύπωμα αυτό μπορεί να φωτογραφηθεί μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας και να παρασταθεί με τρισδιάστατη απεικόνιση. Το συγκεκριμένο αποτύπωμα χρησιμοποιείται για την ποσοτικοποίηση του βαθμού στον οποίο η επικάλυψη έχει αστοχήσει. Η επικάλυψη αστοχεί είτε λόγω συνάφειας είτε λόγω συνοχής. 33

Για κάθε συγκεκριμένο σύστημα επικάλυψης-υποστρώματος, υπάρχει ένα κρίσιμο φορτίο κρούσης, που αντιστοιχεί σε 10 6 επαναλαμβανόμενες κρούσεις, για το οποίο η επικάλυψη δεν αστοχεί. Αυτό αντιστοιχεί στην διαρκή αντοχής της επικάλυψης. Ο τρόπος που θα γίνει αυτό καθώς και τα κριτήρια που θα χρησιμοποιηθούν παρουσιάζονται στο Σχήμα 4.8.Επιλέγεται σαν εμπειρικό κριτήριο είτε ο λόγος επιφάνειας αστοχίας να είναι πάνω από 5%, είτε το βάθος αστοχίας της επικάλυψης να είναι περίπου ίσο με 0.5 μm. Σχήμα 4.8: Κριτήρια αστοχίας της επικάλυψης. 4.3.1 Συνθήκες λειτουργίας κάθετου δοκιμαστηρίου κρούσης Όπως έχει ήδη αναφερθεί η δοκιμασία κρούσης είναι μια αξιόπιστη μέθοδος και χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων κόπωσης των επικαλύψεων. Για τον λόγο αυτό αναπτύχθηκε και εξελίχθηκε το δοκιμαστήριο που παρουσιάζεται στην προηγούμενη παράγραφο. Τα τεχνικά χαρακτηριστικά όμως και οι συνθήκες λειτουργίας του δεν ενδείκνυνται για την εξαγωγή συμπερασμάτων όσον αφορά τον ρυθμό παραμόρφωσης. Τα δυναμικά φορτία του κλασσικού δοκιμαστηρίου κρούσης έχουν συχνότητα 50 Hz και συγκεκριμένη μορφή σήματος δύναμης κρούσης. Το περιβάλλον λειτουργίας του λογισμικού Labview που χρησιμοποιείται παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.9. Στο σχήμα φαίνονται τα πλαίσια στα οποία βάζει ο χρήστης τα δεδομένα εισόδου για την έναρξη του πειράματος. Μία μεγέθυνση του σήματος δύναμης κρούσης που παρουσιάζεται στο Σχήμα 4.10, δείχνει ακριβώς τη γεωμετρία και την διάρκεια του παλμού. 34

Σχήμα 4.9: Γραφικό περιβάλλον ελέγχου διάταξης κρουστικού ελέγχου. Σχήμα 4.10: Μορφή σήματος δύναμης κρούσης του κλασσικού δοκιμαστηρίου κρούσης. 35

4.4 Ψηφιακό κέντρο κατεργασίας CNC τριών αξόνων Για την μελέτη της απόδοσης κατά την κοπή των διαφόρων επικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων που εξετάστηκαν, διεξήχθησαν πειράματα φραιζαρίσματος. Στο Σχήμα 4.12 φαίνεται το ψηφιακά καθοδηγούμενο τριαξονικό κέντρο κατεργασίας της εταιρείας JOHNFORD με καθοδήγηση FANUCSeriesO-M, το οποίο βρίσκεται στο ΕΕΔΜ. Διαθέτει σειριακή θύρα και υπάρχει η δυνατότητα επικοινωνίας με ηλεκτρονικό υπολογιστή. Για τον προγραμματισμό του κέντρου κατεργασίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν κάποιες από τις έτοιμες υπορουτίνες που διαθέτει η μηχανή. Επιπλέον, υπάρχει η δυνατότητα πλήρους ελέγχου των παραμέτρων κοπής. Η τράπεζα της μηχανής κινείται στους άξονες Χ,Υ, ενώ το εργαλείο κινείται στον άξονα Ζ. Σε αυτό το κέντρο κατεργασίας διεξήχθησαν τα πειράματα με αφαίρεση υλικού για την εξακρίβωση της απόδοσης κοπής των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων. Σχήμα 4.12: Πολυαξονικό ψηφιακό κέντρο κατεργασίας. 36

5. Μελέτη πολυστρωματικών και νανοδομημένων αδαμαντοεπικαλύψεων Για την διεξαγωγή των πειραμάτων και την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας το εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας(ΕΕΔΜ) παρέλαβε δοκίμια σκληρομετάλλου της κατηγορίας HW-K05 / K20 SPGN120308 κατά ISO, επικαλυμμένα με νανοδομημένες (NCD) και πολυστρωματικές (MLD) επικαλύψεις. Τα δοκίμια επικαλυφτήκαν μέσω της μεθόδου θερμού νήματος, χρησιμοποιώντας μηχανή επικάλυψης τύπου CC800/9Dia CemeCon. Για την επίτευξη επαρκούς συνάφειας πραγματοποιήθηκε προεργασία του υποστρώματος με χημική προσβολή του κοβαλτίου πριν από την εναπόθεση. Με τον τρόπο αυτό δημιουργήθηκε ένα λεπτό στρώμα πρόσφυσης της διεπιφάνειας. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εναπόθεσης οι θερμοκρασίες νήματος και υποστρώματος ήταν 2.000 και 900 Ο C, αντίστοιχα. Η ολική πίεση ανήλθε στα 30 mbar. Η αναλογία άνθρακα προς υδρογόνο ήταν ίση με 1%, ο λόγος επικάλυψης 0,5 mm / h και η ροή αερίου 2 l / min. Δύο ομάδες επικαλυμμένων δοκιμίων δημιουργήθηκαν με μεταβολή των παραμέτρων απόθεσης η νανοδομημένη (NCD /hsrs) και η πολυστρωματική δομή (MLD) με συνολικά δέκα διαδοχικά και εναλλασσόμενα νανο- και μικρο-δομημένα στρώματα. Αυτά τα νανο- και μικρο-δομημένα στρώματα είχαν πάχος περίπου 0,34 και 0,66 μm αντίστοιχα. Και στις δύο περιπτώσεις επικάλυψης, ο χρόνος εναπόθεσης μειώθηκε σκόπιμα. Κατά συνέπεια, αναπτύχθηκαν θλιπτικές παραμένουσες τάσεις στην δομή των αδαμαντοεπικαλύψεων, οι οποίες προστέθηκαν στις επίσης θλιπτικές, θερμικές παραμένουσες τάσεις. 37

Σχήμα 5.1 Οι εξεταζόμενες επικαλύψεις και οι δομές τους Οι νανοδομημένες επικαλύψεις παρουσιάζουν υψηλές παραμένουσες τάσεις λόγω της κρυσταλλικής τους δομής (hsrs-high structural residual stresses) και για αυτό το λόγο αναμένεται να έχουν αυξημένη ψαθυρότητα και κατά συνέπια μειωμένη απόδοση κοπής. Επιπλέον, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.1, η επικάλυψη MLD αναμένεται να αντέχει αποτελεσματικότερα τις επαναλαμβανόμενες κρούσεις κατά τη διάρκεια του φραιζαρίσματος, αφού οι διεπιφάνειες των διαδοχικών στρωμάτων εμποδίζουν την διάδοση της ρωγμής. Αντίθετα, στην περίπτωση της επικάλυψης NCD, οι ρωγμές συνήθως διαδίδονται κατ' ευθείαν στο υπόστρωμα, επιδεινώνοντας τη συμπεριφορά φθοράς τους στην κοπή. Η αντοχή σε κόπωση της διεπιφάνειας υποστρώματος-επικάλυψης των ανωτέρω διαμαντοεπικαλυμμένων δοκιμίων, αξιολογήθηκε μέσω δοκίμων πλάγιας κρούσης σε ποικίλα φορτία και επαναλήψεις, ενώ η απόδοση κοπής τους, μέσω πειραμάτων φραιζαρίσματος. Στην παρούσα εργασία περιγράφεται η εφαρμογή πειραμάτων φραιζαρίσματος για την εκτίμηση της απόδοσης κοπής. Κατά το φραιζάρισμα, τα κοπτικά πλακίδια φθείρονται λόγω απόξεσης στην καμπυλότητα της κοπτικής ακμής, με αποτέλεσμα την προοδευτική μείωση του πάχους επικάλυψης. Η μείωση του πάχους επικάλυψης οδηγεί σε αύξηση της ακτίνας καμπυλότητας και κατά συνεπεία σε αύξηση της μεγίστης διατμητικής τάσης κατά τον 38

σχηματισμό αποβλίττου, που αναπτύσσεται σε απόσταση 30μm από την κοπτική ακμή. Αν η αναπτυσσόμενη μεγίστη διατμητική τάση υπερβεί τη διατμητική αντοχή της διεπιφάνειας, λαμβάνει χώρα αποκόλληση επικάλυψης σε μια περιορισμένη περιοχή της επιφάνειας αποβλίττου. Κατ αυτόν τον τρόπο η επικάλυψη αστοχεί και το υπόστρωμα αποκαλύπτεται. Σχήμα 5.2 Ο μηχανισμός φθοράς κατά το φραιζάρισμα Οι παραμένουσες τάσεις στις αδαμαντοεπικαλύψεις συνήθως ενισχύουν την πρόσφυση της επικάλυψης, δεδομένου ότι συμβάλλουν στην δέσμευση τραχυτήτων στη διεπιφάνεια επικάλυψης-υποστρώματος. Ωστόσο, μπορεί να καταπονήσουν το υπόστρωμα στην περιοχή της διεπιφάνειας, επιδεινώνοντας έτσι την πρόσφυση της επικάλυψης. Σχήμα 5.3 Η πιθανότητα δημιουργίας ρωγμής στην διεπιφάνεια εξαρτάται από τις παραμένουσες τάσεις. Επιπλέον, στην παρούσα εργασία περιγράφεται, η εφαρμογή της δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης για την εκτίμηση της αντοχής σε κόπωση της διεπιφάνειας των επικαλύψεων. Κατά τη διάρκεια αυτής της δοκιμής, αν οι επιφανειακές τάσεις που αναπτύσσονται λόγω του επιβαλλομένου κρουστικού φορτίου δεν ξεπεράσουν την κρίσιμη τιμή, η επικάλυψη ακολουθεί την πλαστική παραμόρφωση του υποστρώματος. Αντίθετα αν οι αναπτυσσόμενες επιφανειακές τάσεις, κατά τη μέγιστη δύναμη κρούσης ή κατά τη διάρκεια της χαλάρωσης υποστρώματος-επικάλυψης μεταξύ των διαδοχικών κρούσεων, υπερβούν τη 39

διεπιφανειακή αντοχή σε κόπωση, θα υπάρξει αστοχία έπειτα από συγκεκριμένο αριθμό κρούσεων. Αυτή η αστοχία οφείλεται σε μικρο-ρωγμές που αναπτύσσονται στην περιοχή της διεπιφάνειας επικάλυψης-υποστρώματος κατά τη διάρκεια των επαναλαμβανόμενων κρούσεων. Η διάδοση των μικρο-ρωγμών και κατά συνέπεια, η αποκόλληση της επικάλυψης εξαρτάται από το μέγεθος της εφαρμοζόμενης δύναμης. Όσο υψηλότερη είναι η δύναμη που εφαρμόζεται, τόσο μικρότερος είναι ο αριθμός των κρούσεων που απαιτείται για να επιτευχθεί το ίδιο επίπεδο αποκόλλησης στην περιοχή διεπιφάνειας επικάλυψηςυποστρώματος. Αυτό συμβαίνει επειδή η πλαστική παραμόρφωση του υποστρώματος δημιουργείται ήδη από τις πρώτες κρούσεις και παραμένει σταθερή σε όλη τη διάρκεια της δοκιμής. Μια συνέπεια αυτής της αστοχίας είναι ο σχηματισμός εξογκωμάτων. Μετά την αποκόλληση της αδαμαντοεπικάλυψης από το υπόστρωμα, οι παραμένουσες τάσεις απελευθερώνονται και ανυψώνουν την αποκολλημένη περιοχή δημιουργώντας εξογκώματα. Με περαιτέρω αύξηση του αριθμού κρούσεων, αυξάνεται και η επιφάνεια της αποκολλημένης περιοχής με αποτέλεσμα την διόγκωση των εξογκωμάτων. Τέλος, σε ακόμη μεγαλύτερους αριθμούς κρούσεων, η αποκόλληση εξελίσσεται ραγδαία, οδηγώντας σε απομάκρυνση της επικάλυψης και αποκάλυψη του υποστρώματος. Στο αριστερό τμήμα του σχήματος 5.4 παρουσιάζονται χαρακτηριστικά εξογκώματα των αδαμαντοεπικαλύψεων, που αναπτύσσονται σε συγκεκριμένα φορτία κρούσης και έπειτα από τον αριθμό κρούσεων που φαίνεται στο σχήμα. Στο δεξιό τμήμα του σχήματος 5.4 με τη μορφή ραβδογράμματος παρουσιάζονται οι προσδιορισμένες θερμικές και οι τάσεις λόγω κρυσταλλικής δομής, των επικαλύψεων που διερευνήθηκαν. Σχήμα 5.4 Σχηματισμός εξογκωμάτων λόγω παραμενουσών τάσεων. 40

Οι παραμένουσες τάσεις επικάλυψης των NCD/hsrs και MLD επικαλυμμένων δοκιμίων, αποδίδονται τόσο σε θερμικές όσο και σε τάσεις λόγω κρυσταλλικής δομής, που προκύπτουν κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εναπόθεσης CVD και την επακόλουθη ψύξη. Είναι εμφανές ότι οι τάσεις λόγω κρυσταλλικής δομής, στις επικαλύψεις MLD είναι χαμηλότερες σε σύγκριση με τις αντίστοιχες των NCD /hsrs. Αυτό μπορεί να θεωρηθεί ότι συμβαίνει επειδή οι πολυστρωματικές επικαλύψεις διαθέτουν μικρο-δομημένα στρώματα, τα όποια απορροφούν ένα μέρος των αναπτυγμένων παραμενουσών τάσεων, καθώς τα μικρο-δομημένα είναι περισσότερο παραμορφώσιμα σε σχέση με τα νανο-δομημένα. Οι θερμικές θλιπτικές παραμένουσες τάσεις, που είναι ίσες στις δυο επικαλύψεις, οφείλονται στον σημαντικά μικρότερο συντελεστή θερμικής διαστολής της αδαμαντοεπικάλυψης συγκριτικά με το υπόστρωμα από σκληρομέταλλο. 41

5.1 Προσδιορισμός αντοχής σε κόπωση πολυστρωματικών επικαλύψεων Η αντοχή σε κόπωση των αδαμαντοεπικαλύψεων είναι ένας σημαντικός παράγοντας για την επίτευξη μιας επαρκούς διάρκειας ζωής του εργαλείου. Ο προσδιορισμός της εξάρτησης της θερμοκρασίας σε σχέση με την αντοχή σε κόπωση των αδαμαντοεπικαλύψεων διευκολύνει την πιο λεπτομερή κατανόηση των μηχανισμών φθοράς διαμαντοεπικαλυμμένων κοπτικών εργαλείων. Κατ αυτόν τον τρόπο, το πειραματικό κόστος για την βελτιστοποίηση των συνθηκών κατεργασίας μπορεί να περιοριστεί. Στην παρούσα εργασία, χρησιμοποιήθηκαν δοκιμές πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης για τη διερεύνηση της αντοχής σε κόπωση της διεπιφάνειας των αδαμαντοεπικαλύψεων σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και σε υψηλές θερμοκρασίες. Με βάση τα αποτελέσματα που εξήχθησαν από τις δοκιμές αυτές, κατασκευάστηκαν τα διαγράμματα τύπου Woehler που συνεισφέρουν στον προσδιορισμό της συμπεριφοράς κόπωσης των αδαμαντοεπικαλύψεων στους 25 Ο C και 300 Ο C. Η αντοχή σε κόπωση της διεπιφάνειας μεταξύ των πολυστρωματικών επικαλύψεων (MLD) και των υποστρωμάτων σκληρομετάλλων διερευνήθηκε μέσω πειραμάτων πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης, σε διάφορα εύρη δυνάμεων και αριθμούς κρούσεων. Η γωνία κλίσης της επικαλυμμένης επιφάνειας με τη διεύθυνση της δύναμης φόρτισης ήταν 15 ο και η διάμετρος της σφαίρας 5mm (βλ. Σχήμα 5.5). Στην αρχή κάθε πειράματος, χρησιμοποιούνταν μία άφθαρτη περιοχή της σφαίρας σκληρομετάλλου. Η συσκευή επαναλαμβανόμενης κρούσης σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης σε συνεργασία με την CemeCon AG. Η διάρκεια του σήματος φόρτισης t d και ο χρόνος κρούσης t e παρουσιάζονται στο πάνω δεξιά τμήμα του σχήματος 5.5. Οι χρόνοι αυτοί παρέμειναν πρακτικά σταθεροί σε όλα τα πειράματα που διεξήχθησαν. Η εφαρμοζόμενη δύναμη αυξάνεται σταδιακά μέχρι μια προκαθορισμένη μέγιστη τιμή. Όταν επιτευχθεί η μέγιστη φόρτιση, η ταχύτητα της σφαίρας μηδενίζεται, η φορά κίνησης αντιστρέφεται και ο διεισδυτής κινείται πλέον προς τα πάνω. Για την αξιολόγηση των αποτυπωμάτων της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης, χρησιμοποιήθηκαν, το σύστημα 3D μετρήσεων ομοεστιακής μικροσκοπίας μsurf της NANOFOCUS AG καθώς και μικροφασματικές αναλύσεις EDX. Τα πειράματα πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης στα MLD επικαλυμμένα δοκίμια πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Τα μεγέθη των φορτίων, οι αντίστοιχοι αριθμοί φορτίσεων και η κατάσταση της επικάλυψης έπειτα από την ολοκλήρωση κάθε πειράματος, παρουσιάζονται στο σχήμα 5.5. 42

Σχήμα 5.5 :Αποτελέσματα δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης για διάφορα εύρη δυνάμεων επί MLD επικαλυμμένων δοκιμίων. Πιο συγκεκριμένα, σε φορτίο 800Ν, η εξέλιξη της αποκόλλησης της επικάλυψης είναι ταχυτάτη καθώς τα εξογκώματα δημιουργούνται, καταστρέφονται και απομακρύνονται ήδη σε λιγότερες από 40.000 κρούσεις. Στο φορτίο των 700Ν, παρατηρούμε σχηματισμό εξογκωμάτων μόλις στις 30.000 κρούσεις. Ενώ, στη μέτρια φόρτιση των 600Ν, η εξέλιξη της αποκόλλησης της επικάλυψης είναι πιο αργή, καθώς τα εξογκώματα δημιουργούνται στις 40.000 κρούσεις και καταστρέφονται έπειτα από ακόμη 60.000 κρούσεις. Μειώνοντας ακόμη περισσότερο τη δύναμη φόρτισης στα 500Ν, η δημιουργία, όπως και η απομάκρυνση των εξογκωμάτων καθυστερούν αρκετά, με τα εξογκώματα να δημιουργούνται μετά από 100.000 κρούσεις και να καταστρέφονται έπειτα από άλλες 100.000 κρούσεις. Τέλος στη δύναμη των 450Ν τα εξογκώματα δημιουργούνται έπειτα από 200.000 και καταστρέφονται έπειτα από ακόμη 200.000 κρούσεις. 43

Για δυνάμεις μικρότερες από περίπου 430Ν, διασφαλίζεται η επαναλαμβανόμενη φόρτιση του αδαμαντοεπικαλυμμένου εργαλείου χωρίς αποκολλήσεις, λόγω αστοχίας της διεπιφάνειας του. Έτσι, η δύναμη των 430Ν μπορεί να θεωρηθεί σαν μία κρίσιμη τιμή δύναμης, η οποία συνδέεται με την αντοχή της διεπιφάνειας της επικάλυψης σε κόπωση. Στο πλαίσιο αυτό, το διάγραμμα τύπου Woehler του σχήματος 5.5, μπορεί να χρησιμοποιηθεί, για την αξιολόγηση της αντοχής σε κόπωση της διεπιφάνειας των επικαλύψεων MLD. 5.2. Προσδιορισμός αντοχής σε κόπωση νανοδομημένων επικαλύψεων Πειράματα πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης, πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και στα δοκίμια με NCD επικάλυψη. Τα μεγέθη των φορτίων, οι αντίστοιχοι αριθμοί φορτίσεων και η κατάσταση της επικάλυψης έπειτα από την ολοκλήρωση κάθε πειράματος, παρουσιάζονται στο Σχήμα 5.6. Σχήμα 5.6 :Αποτελέσματα δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης για διάφορα εύρη δυνάμεων επί NCD/hsrs επικαλυμμένων δοκιμίων. 44

Πιο συγκεκριμένα, σε φορτίο 800Ν, η επικάλυψη αποκολλάται με ταχύτατους ρυθμούς. Στο μικρότερο φορτίο των 650Ν, εξογκώματα δημιουργούνται, καταστρέφονται και απομακρύνονται ήδη σε λιγότερες από 60.000 κρούσεις. Ταχεία εξέλιξη της αποκόλλησης της επικάλυψης παρατηρούμε και στη μικρότερη δύναμη των 500Ν, όπου τα εξογκώματα δημιουργούνται μετά από 60.000 κρούσεις, τα εξογκώματα αυτά καταστρέφονται και απομακρύνονται πλήρως έπειτα από άλλες 40.000 κρούσεις. Αντίθετα, στην ακόμη μικρότερη δύναμη των 350Ν, η δημιουργία των εξογκωμάτων ξεκινά έπειτα από περίπου 300.000 κρούσεις, η εξέλιξη της αποκόλλησης της επικάλυψης σε αυτή τη δύναμη είναι αργή, καθώς τα εξογκώματα καταστρέφονται και απομακρύνονται πλήρως έπειτα από άλλες 200.000 κρούσεις. Τέλος, στην περίπτωση της ενδιάμεσης φόρτισης των 450Ν, το πρώτο εξόγκωμα δημιουργείται έπειτα από περίπου 70.000 κρούσεις, και η επικάλυψη απομακρύνεται πλήρως έπειτα από λιγότερες από 150.000 επαναλαμβανόμενες κρούσεις συνολικά. Για δυνάμεις μικρότερες από περίπου 330Ν, διασφαλίζεται η επαναλαμβανόμενη φόρτιση του αδαμαντοεπικαλυμμένου εργαλείου χωρίς αποκολλήσεις, λόγω αστοχίας της διεπιφάνειας του. Έτσι, η δύναμη που συνδέεται με την αντοχή της διεπιφάνειας σε κόπωση, της νανοδομημένης επικάλυψης, ανέρχεται στα 330Ν,τιμή αρκετά μικρότερη από την αντίστοιχη των πολυστρωματικών επικαλύψεων (430Ν). Στο πλαίσιο αυτό, το διάγραμμα τύπου Woehler του σχήματος 5.6, μπορεί να χρησιμοποιηθεί, για την αξιολόγηση της αντοχής σε κόπωση της διεπιφάνειας των επικαλύψεων NCD/hsrs. 5.3 Προσδιορισμός αντοχής σε κόπωση πολυστρωματικών επικαλύψεων εν θερμώ Πειράματα πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης, πραγματοποιήθηκαν στα δοκίμια με MLD επικάλυψη και στην θερμοκρασία των 300 Ο C. Τα μεγέθη των φορτίων, οι αντίστοιχοι αριθμοί φορτίσεων και η κατάσταση της επικάλυψης έπειτα από την ολοκλήρωση κάθε πειράματος, παρουσιάζονται στο σχήμα 5.7. 45

Σχήμα 5.7 :Αποτελέσματα δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης εν θερμώ για διάφορα εύρη δυνάμεων επί MLD επικαλυμμένων δοκιμίων. Πιο συγκεκριμένα, σε φορτίο 650Ν, η εξέλιξη της αποκόλλησης της επικάλυψης είναι ραγδαία. Σε αυτό το φορτίο, εξογκώματα δημιουργούνται, καταστρέφονται και απομακρύνονται ήδη σε λιγότερες από 40.000 κρούσεις. Στο φορτίο των 600Ν, παρατηρούμε σχηματισμό εξογκωμάτων μόλις στις 30.000 κρούσεις. Ενώ, στη μέτρια φόρτιση των 500Ν, η εξέλιξη της αποκόλλησης της επικάλυψης είναι πιο αργή, τα εξογκώματα δημιουργούνται στις 40.000 κρούσεις και καταστρέφονται έπειτα από ακόμα 60.000 κρούσεις. Μειώνοντας ακόμη περισσότερο τη δύναμη φόρτισης, στα 400Ν, η δημιουργία όπως και η απομάκρυνση των εξογκωμάτων καθυστερούν αρκετά με τα εξογκώματα να δημιουργούνται μετά από 100.000 και να καταστρέφονται έπειτα από άλλες 100.000 κρούσεις. Τέλος στη δύναμη των 300Ν τα εξογκώματα δημιουργούνται έπειτα από 200.000 και καταστρέφονται έπειτα από ακόμη 300.000 κρούσεις. Για δυνάμεις μικρότερες από περίπου 270Ν, διασφαλίζεται η επαναλαμβανόμενη φόρτιση του αδαμαντοεπικαλυμμένου εργαλείου χωρίς αποκολλήσεις, λόγω αστοχίας της 46

διεπιφάνειας του. Έτσι, η δύναμη των 270Ν που συνδέεται με την εν θερμώ αντοχή σε κόπωση της διεπιφάνειας της πολυστρωματικής επικάλυψης, ανέρχεται στα 270Ν,τιμή αρκετά μικρότερη από την αντίστοιχη στην περίπτωση θερμοκρασίας περιβάλλοντος (430Ν). Στο πλαίσιο αυτό, το διάγραμμα τύπου Woehler του σχήματος 5.5, μπορεί να χρησιμοποιηθεί, για την αξιολόγηση της αντοχής σε κόπωση εν θερμώ, της διεπιφάνειας των επικαλύψεων MLD. 5.4. Προσδιορισμός αντοχής σε κόπωση νανοδομημένων επικαλύψεων εν θερμώ Πειράματα πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης, πραγματοποιήθηκαν στην θερμοκρασία των 300 Ο C και στα δοκίμια με MLD επικάλυψη. Τα μεγέθη των φορτίων, οι αντίστοιχοι αριθμοί φορτίσεων και η κατάσταση της επικάλυψης έπειτα από την ολοκλήρωση κάθε πειράματος, παρουσιάζονται στο σχήμα 5.8. Σχήμα 5.8: Αποτελέσματα δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης εν θερμώ για διάφορα εύρη δυνάμεων επί NCD/hsrs επικαλυμμένων δοκιμίων. 47

Πιο συγκεκριμένα, σε φορτίο 650Ν, η επικάλυψη αποκολλάται με ταχύτατους ρυθμούς. Στο μικρότερο φορτίο των 600Ν, τα εξογκώματα της επικάλυψης δημιουργούνται, καταστρέφονται και απομακρύνονται ήδη σε λιγότερες από 60.000 κρούσεις. Ταχεία εξέλιξη της αποκόλλησης της επικάλυψης παρατηρούμε και στη μικρότερη δύναμη των 500Ν, όπου τα κυρτά εξογκώματα δεν έχουν δημιουργηθεί μετά από 30.000 κρούσεις, άλλα καταστρέφονται και απομακρύνονται πλήρως έπειτα από άλλες 170.000 κρούσεις. Αντίθετα, στην ακόμη μικρότερη δύναμη των 400Ν, η δημιουργία των εξογκωμάτων ξεκινά έπειτα από περίπου 200.000 κρούσεις, η εξέλιξη της αποκόλλησης της επικάλυψης είναι αργή, καθώς καταστρέφεται και απομακρύνεται πλήρως έπειτα από άλλες 200.000 κρούσεις. Τέλος στη δύναμη των 350Ν τα εξογκώματα δημιουργούνται έπειτα από 300.000 και καταστρέφονται έπειτα από ακόμη 200.000 κρούσεις. Για δυνάμεις μικρότερες από περίπου 300Ν, διασφαλίζεται η επαναλαμβανόμενη φόρτιση του αδαμαντοεπικαλυμμένου εργαλείου χωρίς αποκολλήσεις, λόγω αστοχίας της διεπιφάνειας του. Έτσι, η δύναμη που συνδέεται με την εν θερμώ αντοχή σε κόπωση, της διεπιφάνειας, της νανοδομημένης επικάλυψης, ανέρχεται στα 300Ν,τιμή οριακά μικρότερη από την αντίστοιχη στην περίπτωση θερμοκρασίας περιβάλλοντος (330Ν),άλλα αρκετά μεγαλύτερη από την αντίστοιχη των πολυστρωματικών επικαλύψεων (270Ν). Στο πλαίσιο αυτό, το διάγραμμα τύπου Woehler του σχήματος 5.8, μπορεί να χρησιμοποιηθεί, για την αξιολόγηση της εν θερμώ αντοχής σε κόπωση της διεπιφάνειας των επικαλύψεων NCD/hsrs. 5.5. Απόδοση κοπής των εξεταζόμενων πολυστρωματικών επικαλύψεων σε διάφορα κατεργαζόμενα υλικά Προκείμενου να διερευνηθεί η επίδραση των πολυστρωματικών επικαλύψεων στην απόδοση κοπής των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων, διεξήχθησαν πειράματα αντίρροπου φραιζαρίσματος. Η πειραματική διαδικασία πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια ενός ψηφιακά καθοδηγούμενου κέντρου φραιζαρίσματος τριών αξόνων που βρίσκεται στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας (ΕΕΔΜ). Το χρησιμοποιούμενο σύστημα εργαλείου - τεμαχίου στα πειράματα φραιζαρίσματος απεικονίζεται στο πάνω μέρος των σχημάτων 5.11, 5.12 και 5.13. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν χωρίς ψυκτικό ή λιπαντικό. Τα υλικά κατεργασίας, τον οποίων οι δομές παρουσιάζονται στα σχήματα 5.8, 5.9 και 5.10, ήταν τα κράματα αλουμινίου ΑΑ7075, Α 356.0 και αφρός αλουμινίου. Οι συνθήκες κατεργασίας για κάθε ένα από τα υλικά κατεργασίας περιγράφονται στα σχήματα 5.11, 5.12 και 5.13. και αναφέρονται σε ακτινικό βάθος 2mm, 2mm και 20mm αντίστοιχα. Η συμπεριφορά φθοράς των επικαλυμμένων πλακιδίων σκληρομετάλλου στο φραιζάρισμα, για κάθε ένα από τα υλικά κατεργασίας, φαίνεται στα σχήματα 5.11, 5.12 και 5.13. 48

Σχήμα 5.8: υλικό κατεργασίας κράμα αλουμινίου ΑΑ7075 Σχήμα 5.9: υλικό κατεργασίας κράμα αλουμινίου Α356 Σχήμα 5.10: υλικό κατεργασίας αφρός αλουμινίου 49

5.5.1 Απόδοση κοπής σε ΑΑ 7075 Για το υλικό κατεργασίας ΑΑ 7075, η απεικόνιση της εξέλιξης της φθοράς, έγινε με τη βοήθεια ομοεστιακής μικροσκοπίας, λόγω του χαμηλού ρυθμού εξέλιξης της φθοράς. Το εναπομένον πάχος επικάλυψης t rmin στην κοπτική ακμή, προσδιορίστηκε στο ομοεστιακό μικροσκόπιο, για διάφορα συνολικά μήκη αποβλίττου l c. Πιο συγκεκριμένα, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.11, το εναπομένον πάχος της πολυστρωματικής επικάλυψης προσδιορίστηκε για 6, 10, 15, 22,5 και 35 km συνολικού μήκους αποβλίττου l c. Στα 35 km, το εναπομένον πάχος αντιστοιχεί στην κρίσιμη τιμή των 0.5 μm. Η φθορά στην καμπυλότητα της κόψης οδηγεί σε προοδευτική μείωση του πάχους της επικάλυψης. Για τιμές του εναπομένοντος πάχους επικάλυψης μικρότερες της κρίσιμης τιμής των 0.5 μm ξεκινά η αποκόλληση της επικάλυψης, αποκαλύπτοντας προοδευτικά το υπόστρωμα. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο τα πειράματα δεν συνεχίστηκαν πέραν αυτής της τιμής εναπομένοντος πάχους. Σχήμα 5.11 :Εναπομένον πάχος επικάλυψης για διάφορα συνολικά μήκη αποβλίττου Lc των πολυστρωματικών αδαμαντοεπικαλύψεων σε κοπή ΑΑ 7075 T6. 50

5.5.2 Απόδοση κοπής σε Α 356.0 Για το υλικό κατεργασίας Α 356.0, η απεικόνιση της εξέλιξης της φθοράς, έγινε με τη βοήθεια ομοεστιακής μικροσκοπίας, λόγω του χαμηλού ρυθμού εξέλιξης της φθοράς. Το εναπομένον πάχος επικάλυψης tr min στην καμπυλότητα του κοπτικού σφήνα, προσδιορίστηκε στο ομοεστιακό μικροσκόπιο για διάφορα συνολικά μήκη αποβλίττου l c. Πιο συγκεκριμένα, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.12 το εναπομένον πάχος της πολυστρωματικής επικάλυψης προσδιορίστηκε για 4,8, 9,6, και 11,2 km συνολικού μήκους αποβλίττου l c. Στα 11,2 km, το εναπομένον πάχος αντιστοιχεί στην κρίσιμη τιμή του 1 μm. Η φθορά στην καμπυλότητα της κόψης οδηγεί σε προοδευτική μείωση του πάχους του επικάλυψης. Για τιμές του εναπομένοντος πάχους επικάλυψης μικρότερες της κρίσιμης τιμής του 1 μm ξεκινά η αποκόλληση της επικάλυψης αποκαλύπτοντας προοδευτικά το υπόστρωμα. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο τα πειράματα δεν συνεχίστηκαν πέραν αυτής της τιμής εναπομένοντος πάχους. Σχήμα 5.12 :Εναπομένον πάχος επικάλυψης για διάφορα συνολικά μήκη αποβλίττου Lc συναρτήσει του αριθμού κοπών των πολυστρωματικών αδαμαντοεπικαλύψεων σε κοπή Α 356 51

5.5.3 Απόδοση κοπής σε αφρό αλουμινίου Για το υλικό κατεργασίας αφρό αλουμινίου, η απεικόνιση της εξέλιξης της φθοράς, έγινε με τη βοήθεια της οπτικής μικροσκοπίας, λόγω υψηλού ρυθμού εξέλιξης της φθοράς. Το πλάτος ζώνης φθοράς του εργαλείου, προσδιορίστηκε, στο οπτικό μικροσκόπιο για διάφορους αριθμούς κοπών. Πιο συγκεκριμένα, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.13 το πλάτος ζώνης φθοράς της πολυστρωματικής επικάλυψης προσδιορίστηκε για 18, 30, 38, 50 και τις 58 x10 3 κοπές. Στις 58 x10 3 κοπές, το πλάτος ζώνης φθοράς αντιστοιχεί στην κρίσιμη τιμή των 150 μm. Για τιμές του πλάτους ζώνης φθοράς μεγαλύτερες της κρίσιμης τιμής των 150 μm, ξεκινά η αποκόλληση της επικάλυψης αποκαλύπτοντας προοδευτικά το υπόστρωμα. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο τα πειράματα δεν συνεχίστηκαν πέραν αυτής της τιμής πλάτους ζώνης φθοράς. Σχήμα 5.13 :Εξέλιξη φθοράς επιφάνειας ελευθερίας συναρτήσει του αριθμού κοπών των πολυστρωματικών αδαμαντοεπικαλύψεων σε κοπή αφρού αλουμινίου 52

5.6. Απόδοση κοπής των εξεταζόμενων νανοδομημένων επικαλύψεων. Προκείμενου να διερευνηθεί η επίδραση των νανοδομημένων επικαλύψεων στην απόδοση κοπής των επικαλυμμένων κοπτικών πλακιδίων, διεξήχθησαν πειράματα αντίρροπου φραιζαρίσματος όπως ακριβώς και στην περίπτωση πολυστρωματικών επικαλύψεων. Τα υλικά κατεργασίας ήταν τα κράματα αλουμινίου ΑΑ 7075, Α 356.0 και ο αφρός αλουμινίου. Οι συνθήκες κατεργασίας για κάθε ένα από τα υλικά κατεργασίας περιγράφονται στα σχήματα 5.14, 5.15 και 5.16 και αναφέρονται σε ακτινικό βάθος 2mm, 2mm και 20mm αντίστοιχα. Η συμπεριφορά φθοράς των επικαλυμμένων πλακιδίων σκληρομετάλλου στο φραιζάρισμα, για κάθε ένα από τα υλικά κατεργασίας, παρουσιάζεται στα σχήματα 5.14, 5.15 και 5.16. 5.6.1Απόδοση κοπής σε ΑΑ 7075 Για το υλικό κατεργασίας ΑΑ 7075, η απεικόνιση της εξέλιξης της φθοράς, έγινε με τη βοήθεια ομοεστιακής μικροσκοπίας. Το εναπομένον πάχος επικάλυψης tr min στην καμπυλότητα του κοπτικού σφήνα, προσδιορίστηκε στο ομοεστιακό μικροσκόπιο για διάφορα συνολικά μήκη αποβλίττου l c. Πιο συγκεκριμένα, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.14 το εναπομένον πάχος της νανοδομημένης επικάλυψης προσδιορίστηκε για περίπου 6, 10, 15 και 22,5 km συνολικού μήκους αποβλίττου l c. Στα 22,5 km, το εναπομένον πάχος αντιστοιχεί στην κρίσιμη τιμή των 0.3 μm. Η φθορά στην καμπυλότητα της κόψης οδηγεί σε προοδευτική μείωση του πάχους της επικάλυψης. Για τιμές του εναπομένοντος πάχους επικάλυψης μικρότερες της κρίσιμης τιμής των 0.3 μm, ξεκινά η αποκόλληση της επικάλυψης αποκαλύπτοντας προοδευτικά το υπόστρωμα. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο τα πειράματα δεν συνεχίστηκαν πέραν αυτής της τιμής εναπομένοντος πάχους. 53

Σχήμα 5.14 :Εναπομένον πάχος επικάλυψης για διάφορα συνολικά μήκη αποβλίττου L c των νανοδομημένων αδαμαντοεπικαλύψεων σε κοπή ΑΑ 7075 T6. 5.6.2Απόδοση κοπής σε Α 356.0 Για το υλικό κατεργασίας Α 356.0, η απεικόνιση της εξέλιξης της φθοράς, έγινε με τη βοήθεια ομοεστιακής μικροσκοπίας. Το εναπομένον πάχος επικάλυψης tr min στην καμπυλότητα του κοπτικού σφήνα, προσδιορίστηκε στο ομοεστιακό μικροσκόπιο για διάφορα συνολικά μήκη αποβλίττου l c. Πιο συγκεκριμένα, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.15 το εναπομένον πάχος της νανοδομημένης επικάλυψης προσδιορίστηκε για περίπου 0,9, 1,8, και 2,2 km συνολικού μήκους αποβλίττου l c. Στα 2,2 km, το εναπομένον πάχος αντιστοιχεί στην κρίσιμη τιμή του 1 μm. Η φθορά στην καμπυλότητα της κόψης οδηγεί σε προοδευτική μείωση του πάχους της επικάλυψης. Για τιμές του εναπομένοντος πάχους επικάλυψης μικρότερες της κρίσιμης τιμής του 1 μm, ξεκινά η αποκόλληση της επικάλυψης αποκαλύπτοντας προοδευτικά το υπόστρωμα. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο τα πειράματα δεν συνεχίστηκαν πέραν αυτής της τιμής εναπομένοντος πάχους. 54

Σχήμα 5.15 :Εναπομένον πάχος επικάλυψης για διάφορα συνολικά μήκη αποβλίττου L c συναρτήσει του αριθμού κοπών των νανοδομημένων αδαμαντοεπικαλύψεων σε κοπή Α 356. 5.6.3Απόδοση κοπής σε αφρό αλουμινίου Για το υλικό κατεργασίας αφρό αλουμινίου, η απεικόνιση της εξέλιξης της φθοράς, έγινε με τη βοήθεια της οπτικής μικροσκοπίας. Το πλάτος ζώνης φθοράς του εργαλείου, προσδιορίστηκε, στο οπτικό μικροσκόπιο για διάφορους αριθμούς κοπών. Πιο συγκεκριμένα, όπως φαίνεται στο σχήμα 5.16 το πλάτος ζώνης φθοράς της νανοδομημένης επικάλυψης προσδιορίστηκε για περίπου 3, 10, 11, 11,5 και 12 [x10 3 ] κοπές. Στις 12 x10 3 κοπές, το πλάτος ζώνης φθοράς αντιστοιχεί στην κρίσιμη τιμή των 150 μm. Για τιμές του πλάτους ζώνης φθοράς μεγαλύτερες της κρίσιμης τιμής των 150 μm, ξεκινά η αποκόλληση της επικάλυψης αποκαλύπτοντας προοδευτικά το υπόστρωμα. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο τα πειράματα δεν συνεχίστηκαν πέραν αυτής της τιμής πλάτους ζώνης φθοράς. 55

Σχήμα 5.16 :Εξέλιξη φθοράς επιφάνειας ελευθερίας συναρτήσει του αριθμού κοπών των νανοδομημένων αδαμαντοεπικαλύψεων σε κοπή αφρού αλουμινίου 56

5. 7.Σύγκριση των εξεταζόμενων επικαλύψεων 5.7.1. Σύγκριση της αντοχής της διεπιφάνειας υποστρώματος- αδαμαντοεπικάλυψης σε κόπωση Η αντοχή σε κόπωση στην περιοχή της διεπιφάνειας των αδαμαντοεπικαλύψεων διερευνήθηκε σε θερμοκρασίες 25 και 300 Ο C σε δοκιμαστήριο πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης. Με βάση τα αποτελέσματα που εξήχθησαν από τις δοκιμές πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης, κατασκευάστηκαν διαγράμματα τύπου Woehler για τον προσδιορισμό της συμπεριφοράς κόπωσης της διεπιφάνειας των αδαμαντοεπικαλύψεων. Η σύγκριση των καμπυλών τύπου Woehler τόσο στην θερμοκρασία περιβάλλοντος όσο και εν θερμώ παρουσιάζεται παρακάτω. Τα NCD/hsrs δοκίμια αποδείχθηκαν χειρότερα στην αντοχή της διεπιφάνειας σε κόπωση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ενώ στην εν θερμώ αντοχή της διεπιφάνειας σε κόπωση, χειρότερα αποδείχθηκαν τα δοκίμια με πολυστρωματική επικάλυψη (MLD). 5.7.1.1. Σύγκριση της αντοχής σε κόπωση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος Η σύγκριση των καμπυλών τύπου Woehler της πολυστρωματικής και της νανοδομημένης αδαμαντοεπικάλυψης σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, για διάφορα εύρη δυνάμεων και αριθμούς κρούσεων, παρουσιάζεται στο σχήμα 5.17. 57

Σχήμα 5.17. : Σύγκριση αποτελεσμάτων δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης για διάφορα εύρη δυνάμεων. Το συγκριτικό διάγραμμα τύπου Woehler, σε θερμοκρασία 25 Ο C, καθιστά εμφανές ότι, οι πολυστρωματικές επικαλύψεις παρουσιάζουν μεγαλύτερη αντοχή της διεπιφάνειας σε κόπωση από τις νανοδομημένες. Πιο συγκεκριμένα, η δύναμη που συνδέεται με την αντοχή της διεπιφάνειας σε κόπωση, της νανοδομημένης επικάλυψης, ανέρχεται στα 330Ν.Ενω η αντίστοιχη τιμή των πολυστρωματικών επικαλύψεων, ανέρχεται στα 430Ν. 5.7.1.2. Σύγκριση της αντοχής σε κόπωση εν θερμώ Η σύγκριση των καμπυλών τύπου Woehler της πολυστρωματικής και της νανοδομημένης αδαμαντοεπικάλυψης σε θερμοκρασία 300 Ο C, για διάφορα εύρη δυνάμεων και αριθμούς κρούσεων, παρουσιάζεται στο σχήμα 5.18. 58

Σχήμα 5.18. : Σύγκριση αποτελεσμάτων δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης εν θερμώ για διάφορα εύρη δυνάμεων. Το συγκριτικό διάγραμμα τύπου Woehler, σε θερμοκρασία 300 Ο C, καθιστά εμφανές ότι, και στις δυο περιπτώσεις αύξηση της θερμοκρασίας οδηγεί σε επιδείνωση της αντοχής σε κόπωση της διεπιφάνειας αδαμαντοεπικάλυψης-υποστρώματος. Ωστόσο, αυτή η μείωση είναι πιο έντονη στην περίπτωση των πολυστρωματικών επικαλύψεων. Πιο συγκεκριμένα, η δύναμη που συνδέεται με την εν θερμώ αντοχή σε κόπωση, της διεπιφάνειας, της νανοδομημένης επικάλυψης, ανέρχεται στα 300Ν. Ενώ η αντίστοιχη τιμή για τις πολυστρωματικές επικαλύψεις, ανέρχεται στα 270Ν. Κατ αυτόν τον τρόπο, καθίσταται εμφανής η υπεροχή των νανοδομημένων επικαλύψεων, όσον αφορά την αντοχή της διεπιφάνειας σε κόπωση, σε θερμοκρασία 300 Ο C. 5.7.2. Σύγκριση Απόδοσης κοπής Τα NCD/hsrs δοκίμια αποδείχθηκαν χειρότερα σε απόδοση κοπής σε σύγκριση με τα MLD. Αυτό μπορεί να αποδοθεί στις μεγάλες παραμένουσες θλιπτικές τάσεις, των NCD / hsrs επικαλύψεων, που αυξάνουν την ψαθυρότητα επιδεινώνοντας την απόδοση κοπής. Οι MLD επικαλύψεις παρουσίασαν την καλύτερη απόδοση κοπής σε όλα τα κατεργαζόμενα υλικά, φτάνοντας στην περίπτωση του ΑΑ 7075 συνολικό μήκος αποβλίττου L c σχεδόν 40 59

χιλιόμετρα μέχρι την αποκάλυψη του υποστρώματος στην περιοχή της καμπυλότητας της κόψης. Όπως αναφέρθηκε, η πολυστρωματική δομή της επικάλυψης MLD καθυστερεί την εξάπλωση των ρωγμών και συνεισφέρει στην αύξηση της διάρκειας ζωής του εργαλείου. 5.7.2.1. Σύγκριση Απόδοσης κοπής σε ΑΑ 7075 Η σύγκριση των καμπυλών φθοράς των επικαλύψεων, στη μεταβατική περιοχή της κόψης από την επιφάνεια ελευθερίας προς την επιφάνεια αποβλίττου, καθιστά εμφανές ότι, για υλικό κατεργασίας ΑΑ 7075, το πλακίδιο με τη πολυστρωματική επικάλυψη παρουσιάζει τη καλύτερη απόδοση, επιτυγχάνοντας συνολικό μήκος αποβλίττου L c 35 km για ένα εναπομένον πάχος επικάλυψης περίπου 0.5 μm. Χειρότερη απόδοση παρουσιάζει η νανοδομημένη επικάλυψη, καθώς για συνολικό μήκος αποβλίττου L c 22 km, το εναπομένον πάχος της επικάλυψης είναι περίπου 0.3 μm. Σχήμα 5.19 :Εναπομένον πάχος επικάλυψης για διάφορα συνολικά μήκη αποβλίττου L c των διαφόρων αδαμαντοεπικαλύψεων σε κοπή ΑΑ 7075 T6. 60

5.7.2.2. Σύγκριση Απόδοσης κοπής σε Α 356.0 Η σύγκριση των καμπυλών φθοράς των επικαλύψεων, στη μεταβατική περιοχή της κόψης από την επιφάνεια ελευθερίας προς την επιφάνεια αποβλίττου, καθιστά εμφανές ότι, για υλικό κατεργασίας Α 356.0, το πλακίδιο με τη πολυστρωματική επικάλυψη παρουσιάζει τη καλύτερη απόδοση, επιτυγχάνοντας συνολικό μήκος αποβλίττου L c 11,5 km για ένα εναπομένον πάχος επικάλυψης περίπου 1 μm. Χειρότερη απόδοση παρουσιάζει η νανοδομημένη επικάλυψη, καθώς για συνολικό μήκος αποβλίττου L c μόλις 2,2 km το εναπομένον πάχος της επικάλυψης είναι περίπου 1 μm. Σχήμα 5.20 :Εναπομένον πάχος επικάλυψης για διάφορα συνολικά μήκη αποβλίττου L c συναρτήσει του αριθμού κοπών των διαφόρων αδαμαντοεπικαλύψεων σε κοπή Α 356 5.7.2.3. Σύγκριση Απόδοσης κοπής σε αφρό αλουμινίου Η σύγκριση των καμπυλών φθοράς των επικαλύψεων, στην επιφάνεια ελευθερίας, καθιστά εμφανές ότι, για υλικό κατεργασίας αφρό αλουμινίου, το πλακίδιο με την πολυστρωματική επικάλυψη παρουσιάζει την καλύτερη απόδοση, επιτυγχάνοντας διάρκεια ζωής 58x10 3 κοπές για ένα πλάτος ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας περίπου 150μm. Χειρότερη απόδοση παρουσιάζει η νανοδομημένη επικάλυψη, καθώς για αριθμό κοπών μόλις 13x10 3 έχουμε πλάτος ζώνης φθοράς 150μm. 61

Σχήμα 5.21. :Εξέλιξη φθοράς επιφάνειας ελευθερίας συναρτήσει του αριθμού κοπών διαφόρων αδαμαντοεπικαλύψεων σε κοπή αφρού αλουμινίου. 62

6. Μελέτη της επίδρασης της ανόπτησης σε νανοδομημένες επικαλύψεις Για την διεξαγωγή των πειραμάτων και την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας το εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής Μηχανολογίας(ΕΕΔΜ) παρέλαβε δοκίμια σκληρομετάλλου προδιαγραφών HW-K05 / K20 SPGN120308 ISO επικαλυμμένα με νανοδομημένες (NCD) επικαλύψεις. Τα δοκίμια επικαλυφτήκαν μέσω της μεθόδου θερμού νήματος, χρησιμοποιώντας μηχανή επικάλυψης τύπου CC800/9Dia CemeCon. Διαδικασίες χημικής προσβολής κοβαλτίου πραγματοποιήθηκαν πριν από την εναπόθεση για την επίτευξη επαρκούς πρόσφυσης. Με τον τρόπο αυτό δημιουργήθηκε ένα λεπτό στρώμα πρόσφυσης της διεπιφάνειας. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εναπόθεσης οι θερμοκρασίες νήματος και υποστρώματος ήταν 2.000 και 900 ο C, αντίστοιχα. Η ολική πίεση ανήλθε στα 30 mbar. Η αναλογία άνθρακα προς υδρογόνο ήταν ίση με 1%, ο λόγος επικάλυψης 0,5 mm / h και η ροή αερίου 2 l / min. Τα δοκίμια ανοπτηθήκαν σε σταθερή θερμοκρασία 450 Ο C. Τρεις ομάδες επικαλυμμένων δοκιμίων δημιουργήθηκαν με μεταβολή του χρόνου ανόπτησης (η NCD /hsrs ή «όπως εναποτέθηκε επικάλυψη», η ανοπτημένη κατά 3 ώρες και η ανοπτημένη κατά 10 ώρες). Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι εναπομένουσες τάσεις στις επικαλύψεις NCD οφείλονται σε διάφορες αιτίες, όπως διαφοροποιήσεις στην κρυσταλλική δομή (epitaxial crystal differences) αλλά και στον σημαντικά μικρότερο συντελεστή θερμικής διαστολής της αδαμαντοεπικάλυψης συγκριτικά με το υπόστρωμα από σκληρομέταλλο. Η τελευταία αιτία, έχει σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση θλιπτικών τάσεων στην δομή της επικάλυψης, κατά την ψύξη των επικαλυμμένων με NCD δοκιμίων από την θερμοκρασία της CVD διαδικασίας στην θερμοκρασία περιβάλλοντος. Τα δοκίμια ανοπτήθηκαν με στόχο την εξουδετέρωση των εναπομενουσών τάσεων λόγω κρυσταλλικής δομής. Η επίδραση της ανόπτησης στην αντοχή σε κόπωση της διεπιφάνειας των νανοδομημένων αδαμαντοεπικαλύψεων διερευνήθηκε μέσω της δοκιμής της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης. Ενώ η επίδραση της ανόπτησης στην απόδοση κοπής διερευνήθηκε μέσω πειραμάτων φραιζαρίσματος σε τριαξονικό κέντρο κατεργασίας. Η πειραματική διαδικασία των δοκιμών πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης, ανάλογα με το εφαρμοζόμενο φορτίο, μπορεί να προκαλέσει αστοχία λόγω κόπωσης στην διεπιφάνεια επικάλυψης-υποστρώματος, μετά από συγκεκριμένο αριθμό κρούσεων και κατά συνέπεια αποκόλληση της επικάλυψης. Μετά από αυτή την αστοχία, όπως έχει ήδη αναφερθεί, οι υψηλές θλιπτικές τάσεις στη δομή της NCD επικάλυψης, απελευθερώνονται ανυψώνοντας την επικάλυψη στην αποκολλημένη κυκλική περιοχή. Στο αριστερό τμήμα του σχήματος 6.1 παρουσιάζονται, χαρακτηριστικά εξογκώματα των αδαμαντοεπικαλύψεων που αναπτύσσονται σε συγκεκριμένα φορτία κρούσης και έπειτα από τον αριθμό κρούσεων που φαίνεται στο σχήμα. Ενώ, στο δεξιό τμήμα του σχήματος 6.1 με τη μορφή ραβδογράμματος παρουσιάζονται οι παραμένουσες θερμικές τάσεις και οι τάσεις λόγω κρυσταλλικής δομής, των επικαλύψεων που διερευνήθηκαν. 63

Σχήμα 6.1 Οι θερμικές και οι λόγω κρυσταλλικής δομής τάσεις στις NCD επικαλύψεις και η επακόλουθη δημιουργία εξογκωμάτων για διάφορα φορτία και αριθμό κρούσεων. Οι θερμικές θλιπτικές παραμένουσες τάσεις στην αδαμαντοεπικάλυψη, που αναπτύσσονται λόγω του χαμηλότερου συντελεστή θερμικής διαστολής της σε σύγκριση με εκείνον του υποστρώματος σκληρομετάλλου, δεν επηρεάζονται από τη θερμική κατεργασία. Ωστόσο, οι παραμένουσες τάσεις λόγω της κρυσταλλικής δομής μειώνονται σημαντικά στην περίπτωση των 3 ωρών και σχεδόν εξουδετερώνονται πλήρως στην περίπτωση των 10 ωρών ανόπτησης. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο τα ανοπτημένα δοκίμια αναμένεται να παρουσιάσουν αυξημένη αντοχή σε κόπωση της διεπιφάνειας επικάλυψης-υποστρώματος και κατ επέκταση αυξημένη απόδοση κοπής. 64

6.1.Επίδραση της διάρκειας ανόπτησης στην αντοχή σε κόπωση Τα πειράματα πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης στα δοκίμια με NCD επικάλυψη πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Τα μεγέθη των φορτίων, οι αντίστοιχοι αριθμοί φορτίσεων και η κατάσταση της επικάλυψης έπειτα από την ολοκλήρωση κάθε πειράματος, παρουσιάζονται στο σχήμα 6.2. Σχήμα 6.2 :Αποτελέσματα δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης για διάφορα εύρη δυνάμεων επί NCD επικαλυμμένων δοκιμίων. Πιο συγκεκριμένα, σε φορτίο 800Ν, η επικάλυψη αποκολλάται με ταχύτατους ρυθμούς. Στο φορτίο των 650Ν, τα κυρτά εξογκώματα της επικάλυψης δημιουργούνται, καταστρέφονται και απομακρύνονται ήδη σε λιγότερες από 60.000 κρούσεις. Ταχεία εξέλιξη της αποκόλλησης της επικάλυψης παρατηρούμε και στη μικρότερη δύναμη των 500Ν, όπου τα κυρτά εξογκώματα δημιουργούνται μετά από 60.000 κρούσεις, τα εξογκώματα καταστρέφονται και απομακρύνονται πλήρως έπειτα από άλλες 40.000 κρούσεις. Αντίθετα, σε μικρότερη δύναμη, 65

στα 350Ν, η δημιουργία των εξογκωμάτων ξεκινά έπειτα από 300.000 κρούσεις, η εξέλιξη της αποκόλλησης της επικάλυψης είναι αργή, καθώς καταστρέφεται και απομακρύνεται πλήρως έπειτα από άλλες 200.000 κρούσεις. Τέλος, στην περίπτωση της ενδιάμεσης φόρτισης των 450Ν, το πρώτο εξόγκωμα της επικάλυψης δημιουργείται έπειτα από περίπου 70.000 κρούσεις, και η επικάλυψη απομακρύνεται πλήρως έπειτα από λιγότερες από 150.000 επαναλαμβανόμενες κρούσεις συνολικά. Για δυνάμεις μικρότερες από περίπου 330Ν, διασφαλίζεται η επαναλαμβανόμενη φόρτιση του αδαμαντοεπικαλυμμένου εργαλείου χωρίς αποκολλήσεις, λόγω αστοχίας της διεπιφάνειας του. Έτσι, η δύναμη των 330Ν μπορεί να θεωρηθεί σαν μία κρίσιμη τιμή δύναμης, η οποία συνδέεται με την αντοχή της διεπιφάνειας της επικάλυψης σε κόπωση. Στο πλαίσιο αυτό, το διάγραμμα τύπου Woehler του σχήματος 6.2, μπορεί να χρησιμοποιηθεί, για την αξιολόγηση της αντοχής σε κόπωση της διεπιφάνειας των επικαλύψεων NCD/hsrs. Ομοίων συνθηκών, πειράματα πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης πραγματοποιήθηκαν στα κατά 3 ώρες ανοπτημένα δοκίμια. Τα μεγέθη των φορτίων, οι αντίστοιχοι αριθμοί φορτίσεων και η κατάσταση της επικάλυψης έπειτα από την ολοκλήρωση κάθε πειράματος, παρουσιάζονται στο σχήμα 6.3 Σχήμα 6.3 :Αποτελέσματα κεκλιμένης δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης για διάφορα εύρη δυνάμεων επί NCD επικαλυμμένων δοκιμίων, ανοπτημένων για 3 ώρες. 66

Πιο συγκεκριμένα, σε φορτίο 750Ν, η επικάλυψη αποκολλάται με ταχύτατους ρυθμούς. Στο φορτίο των 700Ν, ενώ κυρτά εξογκώματα δεν έχουν δημιουργηθεί στις 60.000 κρούσεις, αυτά δημιουργούνται, καταστρέφονται και απομακρύνονται έπειτα από άλλες 40.000 κρούσεις. Αντίθετα, στη μικρότερη δύναμη των 575Ν, η δημιουργία των εξογκωμάτων ξεκινά έπειτα από περίπου 400.000 κρούσεις. Τέλος, στην περίπτωση της μικρότερης φόρτισης των 550Ν, η επικάλυψη παραμένει άφθαρτη. Για δυνάμεις μικρότερες από περίπου 550Ν, διασφαλίζεται η επαναλαμβανόμενη φόρτιση του, ανοπτημένου κατά 3 ώρες, αδαμαντοεπικαλυμμένου εργαλείου χωρίς αποκολλήσεις, λόγω αστοχίας της διεπιφάνειας του. Έτσι, η δύναμη που συνδέεται με την αντοχή της διεπιφάνειας σε κόπωση, της ανοπτημένης κατά 3 ώρες, επικάλυψης, ανέρχεται στα 550Ν τιμή αρκετά μεγαλύτερη από αύτη των όπως εναποτεθήκαν επικαλύψεων NCD/hsrs (330Ν). Τέλος, τα πειράματα πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης πραγματοποιήθηκαν με τις ίδιες συνθήκες και στα κατά 10 ώρες ανοπτημένα δοκίμια. Τα μεγέθη των φορτίων, οι αντίστοιχοι αριθμοί φορτίσεων και η κατάσταση της επικάλυψης έπειτα από την ολοκλήρωση κάθε πειράματος, παρουσιάζονται στο σχήμα 6.4. Σχήμα 6.4 :Αποτελέσματα κεκλιμένης δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης για διάφορα εύρη δυνάμεων επί NCD επικαλυμμένων δοκιμίων, ανοπτημένων για 10 ώρες. 67

Πιο συγκεκριμένα, σε φορτίο 800Ν, εξογκώματα δημιουργούνται στην επικάλυψη μετά από 90.000 κρούσεις, ενώ καταστρέφονται και απομακρύνονται έπειτα από άλλες 60.000 κρούσεις. Αντίθετα, σε μικρότερη δύναμη στα 650Ν, η δημιουργία των εξογκωμάτων ξεκινά έπειτα από περίπου 300.000 κρούσεις, ενώ αυτά καταστρέφονται και απομακρύνονται έπειτα από άλλες 200.000 κρούσεις. Τέλος, στην περίπτωση της ενδιάμεσης φόρτισης των 700Ν, το πρώτο εξόγκωμα της επικάλυψης δημιουργείται έπειτα από περίπου 200.000 κρούσεις. Για δυνάμεις μικρότερες από περίπου 630Ν, διασφαλίζεται η επαναλαμβανόμενη φόρτιση του, ανοπτημένου κατά 10 ώρες, αδαμαντοεπικαλυμμένου εργαλείου χωρίς αποκολλήσεις, λόγω αστοχίας της διεπιφάνειας του. Έτσι, η δύναμη που συνδέεται με την αντοχή σε κόπωση της διεπιφάνειας, της ανοπτημένης κατά 10 ώρες, επικάλυψης, ανέρχεται στα 630Ν. Είναι εμφανές ότι η ανοπτημένη κατά 10 ώρες, αδαμαντοεπικάλυψη παρουσιάζει όπως φάνηκε και προηγουμένως την μεγαλύτερη αντοχή διεπιφάνειας αδαμαντοεπικάλυψηςυποστρώματος σε κόπωση, με κρίσιμη δύναμη για την αντοχή της διεπιφάνειας σε κόπωση τα 630Ν. Η ανοπτημένη κατά 3 ώρες, αδαμαντοεπικάλυψη παρουσιάζει τη δεύτερη μεγαλύτερη αντοχή διεπιφάνειας σε κόπωση, με κρίσιμη δύναμη κρούσης τα 550Ν. Ενώ την μικρότερη αντοχή διεπιφάνειας σε κόπωση, παρουσιάζει η όπως εναποτέθηκε επικάλυψη, με κρίσιμη δύναμη κρούσης τα 330Ν. 6.2.Επίδραση της διάρκειας ανόπτησης στην απόδοση κοπής Πειράματα αντίρροπου φραιζαρίσματος, πραγματοποιήθηκαν προκείμενου να διερευνηθεί η επίδραση της διάρκειας ανόπτησης των νανοδομημένων επικαλύψεων στην απόδοση κοπής. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν με κοπτικά πλακίδια NCD/hsrs όπως εναποτέθηκαν και NCD/hsrs ανοπτημένων για τρείς και δέκα ώρες. Το υλικό κατεργασίας ήταν αφρός αλουμινίου. Οι συνθήκες κατεργασίας περιγράφονται στο κάτω δεξιά μέρος του σχήματος 6.5. 6.2.1.Απόδοση κοπής των εξεταζόμενων ανοπτημένων κατά τρείς ώρες επικαλύψεων. Η απεικόνιση της εξέλιξης της φθοράς, έγινε με τη βοήθεια της οπτικής μικροσκοπίας. Το πλάτος ζώνης φθοράς του εργαλείου, προσδιορίστηκε στο οπτικό μικροσκόπιο για διάφορους αριθμούς κοπών. Πιο συγκεκριμένα, όπως φαίνεται στο Σχήμα 6.5 το πλάτος ζώνης φθοράς της ανοπτημένης για 3 ώρες επικάλυψης προσδιορίστηκε για περίπου 18, 30, 38, 46 και 52 [x10 3 ] κοπές. Στις 52 x10 3 κοπές, το πλάτος ζώνης φθοράς αντιστοιχεί στην κρίσιμη τιμή των 150 μm. Για τιμές του πλάτους ζώνης φθοράς μεγαλύτερες της κρίσιμης τιμής των 150 μm, ξεκινά η αποκόλληση της επικάλυψης αποκαλύπτοντας προοδευτικά το υπόστρωμα. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο τα πειράματα δεν συνεχίστηκαν πέραν αυτής της τιμής πλάτους ζώνης φθοράς. 68

Σχήμα 6.5 : Εξέλιξη φθοράς επιφάνειας ελευθερίας συναρτήσει του αριθμού κόπων για διάφορες διάρκειες ανόπτησης. Είναι εμφανές ότι το πλακίδιο με την ανοπτημένη επικάλυψη παρουσιάζει, σημαντικά καλύτερη απόδοση από αυτή της όπως εναποτέθηκε επικάλυψης, επιτυγχάνοντας διάρκεια ζωής 52x10 3 κοπές, για ένα πλάτος ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας περίπου 150μm. Χειρότερη απόδοση παρουσιάζει η όπως εναποτέθηκε επικάλυψη, καθώς για αριθμό κοπών μόλις 13x10 3 εμφανίζει πλάτος ζώνης φθοράς 150μm. 69

6.2.2.Απόδοση κοπής των εξεταζόμενων ανοπτημένων κατά δέκα ώρες επικαλύψεων. Πειράματα αντίρροπου φραιζαρίσματος σε αφρό αλουμινίου, πραγματοποιήθηκαν και στην περίπτωση της κατά 10 ώρες ανοπτημένης επικάλυψης, με τις ίδιες συνθήκες κατεργασίας. Όπως φαίνεται στο σχήμα 6.6 το πλάτος ζώνης φθοράς της ανοπτημένης κατά 10 ώρες επικάλυψης προσδιορίστηκε για περίπου 36, 48, 56, 64 και 70 [x10 3 ] κοπές. Στις 70 x10 3 κοπές, το πλάτος ζώνης φθοράς αντιστοιχεί στην κρίσιμη τιμή των 150 μm. Σχήμα 6.6: Εξέλιξη φθοράς επιφάνειας ελευθερίας συναρτήσει του αριθμού κόπων για διάφορες διάρκειες ανόπτησης. Είναι εμφανές ότι η ανοπτημένη κατά 10 ώρες, αδαμαντοεπικάλυψη παρουσιάζει όπως φάνηκε και προηγουμένως την καλύτερη απόδοση κοπής, επιτυγχάνοντας διάρκεια ζωής 70x10 3 κοπές για ένα πλάτος ζώνης φθοράς της επιφάνειας ελευθερίας περίπου 150μm. Η ανοπτημένη κατά 3 ώρες, αδαμαντοεπικάλυψη παρουσιάζει τη δεύτερη καλύτερη απόδοση κοπής, με διάρκεια ζωής 52x10 3 κοπές για το ίδιο πλάτος ζώνης φθοράς. Ενώ την χειρότερη απόδοση παρουσιάζει η όπως εναποτέθηκε επικάλυψη, καθώς προσεγγίζει το κρίσιμο πλάτος ζώνης φθοράς των 150μm, για έναν αριθμό κοπών μόλις 13x10 3. 70