hrvatski

Razvoj PACVD prevlaka na nanostrukturiranim tvrdim metalima

Tvrdi metali, komercijalnog naziva Widia, u industriji obrade odvajanjem čestica najistraživaniji su i najrazvijeniji predstavnici materijala dobivenih metalurgijom praha. Razvoj ovih materijala u današnje vrijeme zasniva se na primjeni ultrafinih i nano čestica praha za sinteriranje kojima se postiže znatno poboljšanje svojstava proizvoda, omogućuje se primjena pri većim brzinama rezanja, manje tolerancije i duži vijek trajanja alata. Najvažniji način povećanja tribološke otpornosti alata svakako je prevlačenje istih tankim tvrdim prevlakama. Prevučeni tvrdi metali trenutno predstavljaju 80-90% proizvodnje reznih alata zahvaljujući jedinstvenoj kombinaciji otpornosti na trošenje i žilavosti kao i mogućnosti oblikovanja složenih oblika. Poznata je činjenica da je površinskim postupcima (modificiranjem i/ili prevlačenjem) moguće je formirati sustav površinski sloj/osnovni materijal sa svojstvima koja mogu zadovoljiti suvremene zahtjeve uz prihvatljive proizvodne troškove. Ipak, komercijalno dostupni tvrdometalni alati još nisu zakoračili u nano područje te im je veličina zrna karbidne faze nakon sinteriranja veća od 200 nm. Razlog tome leži u trenutnoj visokoj cijeni proizvodnje nano zrnatog tvrdometalnog alata, kompleksnosti postupka sinteriranja te strogo kontroliranim laboratorijskim uvjetima i visokoj čistoći okoliša. Sukladno tome i postupci prevlačenja koji se primjenjuju na takvim alatima relativno su starijeg datuma jer su se u praksi pokazali dostatnim za stvaranje kompaktnog sloja osnovni materijal - prevlaka. Kako su nano materijali veoma reaktivni, kako u fazi sinteriranja, tako i u fazi prevlačenja, prevlačenjem istih postupcima kemijskog isparavanja iz parne faze (eng. CVD) pri oko 1000 °C na površini alata formiraju se mikrostrukturni defekti koji narušavaju jedno od najvažnijih svojstava istih, a to je žilavost. Sniženje temperature prevlačenja omogućuje primjena jedne od najsuvremenijih tehnologija inženjerstva površina tj. tehnologija plazmom potpomognutog prevlačenja iz parne faze, (eng. PACVD). PACVD postupkom, danas još uvijek nedovoljno istraženim kad je riječ o tvrdim metalima, upotrebom plazme snižava se temperatura prevlačenja na oko 500 °C. U okviru ovog doktorskog rada uspješno je sinteriran i proizveden tvrdometalni alat s masenim udjelima kobalta 5, 10 i 15 % na kojem su plazmom potpomognutim prevlačenjem iz parne faze s ciljem poboljšanja svojstava ovih alata razvijeni novi, inovativni površinski slojevi koji čine sustav osnovni materijal - prevlaka do sada nepoznat i neistražen u praksi. U teorijskom dijelu rada detaljno je opisan postupak dobivanja sinteriranog tvrdometalnog proizvoda, opisani su tehnički zahtjevi koji se postavljaju na rezne alate u pogledu njihovih svojstava i objašnjeni su mehanizmi dotrajavanja tvrdometalnih alata. Detaljno je opisan PACVD postupak iz perspektive nanošenja prevlaka na tvrdi metal i sami mehanizmi nastajanja istih. Eksperimentalni dio podijeljen je na dva dijela od kojih se prvi odnosi na provođenje i valididinje uspješnosti sinteriranja tvrdog metala nano veličine zrna, a drugi uključuje nanošenje prevlaka na proizvedeni materijal. U prvoj cjelini eksperimentalnog dijela detaljno su opisane karakteristike polaznih mješavina prahova, kao i postupci koji su prednjačili sinteriranju naprednim postupkom sinter HIP-a. Formiranje zrna nano veličine, bez prisutnosti neželjenih mikrostrukturnih defekata, potvrđeno je XRD ispitivanjem, mikrostrukturnom analizom i određivanjem veličine karbidnog zrna na skenirajućem elektronskom mikroskopu s emisijom polja (FESEM), ali i indirektno nerazornim metodama karakterizacije kao što je mjerenje magnetskih svojstava tvrdih metala. Od mehaničkih svojstava ispitana su najvažnija svojstva tvrdih metala, a to su tvrdoća i lomna žilavost, te su dobiveni rezultati uspoređeni s literaturnim vrijednostima za tvrdometalne materijale identične veličine zrna karbidne faze. Drugi dio uključuje postupak PACVD prevlačenja s naglaskom na razvoj novih inovativnih sustava prevlaka - osnovni materijal. Određivanjem kristalne strukture XRD metodom potvrđeno je da PACVD postupak ne uzrokuje stvaranje mikrostrukturnih defekata na površini osnovnog materijala. Karakterizacija dobivenih površinskih slojeva prevlake provedena je mikrostrukturnom analizom pomoću svjetlosne i elektronske mikroskopije, određivanjem hrapavosti površine, ispitivanjem prionjivosti prevlaka metodom brazdanja i metodom utiskivanja Rockwell C indentora, mjerenjem debljine prevlaka metodom kalotest i ispitivanjem mikrotvrdoće prevučenih slojeva. U cilju kvantificiranja utjecaja novorazvijenih površinskih slojeva na svojstva i trajnost tvrdometalnih alata provedeno je ispitivanje erozijskog trošenja (erozija česticama), određivanje faktora trenja i kliznog trošenja (kuglica na ploči), ali i eksploatacijsko ispitivanje trajnosti alata pokusom tokarenja na obradnom centru. Na osnovi sveobuhvatne analize dobivenih rezultata zaključno je potvrđeno da se PACVD prevlakama može ostvariti značajno poboljšanje triboloških i mehaničkih svojstava reznih alata od nanostrukturiranih tvrdih metala.

Nanostrukturirani tvrdi metal ; rezni alat ; PACVD prevlačenje ; TiN ; TiCN ; TiBN

nije evidentirano