1 "Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna"Witold Gulbiński Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Politechnika Koszalińska

2 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewnaPlan prezentacji Przyczyny i mechanizmy zużycia narzędzi do obróbki drewna Warunki pracy narzędzia Parametry opisujące zużycie Charakter zużycia – przykładowe wyniki testów przemysłowych Powłoki przeciwzużyciowe na narzędzia do obróbki drewna Powłoki na bazie azotków metali (jednorodne, wielowarstwy, nanokompozyty) architektura nanokompozytów Powłoki na bazie węgla Projekt

3 Mechanizmy zużycia narzędzi: zużycie abrazyjne (ścierne) Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna Mechanizmy zużycia narzędzi: zużycie abrazyjne (ścierne) zużycie udarowe przegrzanie (odpuszczanie) korozja chemiczna korozja elektrochemiczna Przyczyny zużycia narzędzi: tarcie występowanie wtrąceń mineralnych w drewnie wysoka temperatura (niskie przewodnictwo cieplne) wilgotność materiału obrabianego obecność substancji organicznych (żywice)

4 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewnaA - zużycie adhezyjne B - zużycie mechaniczne C - zużycie ścierne D - zużycie cieplne E - zużycie przez utlenianie F - zużycie dyfuzyjne G - wysokotemperaturowa deformacja plastyczna König W., Horizons in manufacturing technology, University of Michigan, Michigan 1967

5 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna

6 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewnaF3 Układ sił podczas skrawania drewna: F1 – grupa oporów wióra i ich wypadkowa F2 – grupa oporów ścinania i ich wypadkowa F3 – grupa sił reakcji materiału obrabianego

7 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewnaZużycie narzędzia: SV – skrócenie ostrza VBR – starcie powierzchni natarcia VBα – stępienie ostrza

8 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna

9 Powłoka (I) na bazie azotków metaliPowłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna Powłoka (I) na bazie azotków metali

10 Powłoka (II) na bazie azotków metaliPowłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna Powłoka (II) na bazie azotków metali

11 Powłoka (III) na bazie węgla (ta-C)Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna Powłoka (III) na bazie węgla (ta-C) część niepracująca

12 Modyfikacja powierzchni narzędzi do obróbki drewna: Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna Modyfikacja powierzchni narzędzi do obróbki drewna: warstwy dyfuzyjne (azotowanie plazmowe w układzie z aktywnym ekranem - ASPN) warstwy przeciwzużyciowe nanoszone technikami PVD Wymagania: wysoka adhezja twardość wysoka wiązkość (toughness) ~ H3/E2 dobre przewodnictwo cieplne odporność korozyjna odporność na utlenianie niskie tarcie

13 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewnaGranica plastyczności J.Schiotz,Proceedings of the 22 th Riso International Symposium on Materials Science, Roskilde, Denmark (2001) 127.

14 Koncepcja projektowania powłok nanokompozytowych Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna Koncepcja projektowania powłok nanokompozytowych o wysokiej wiązkości (toughness): Rozmieszczenie krystalicznych nanometrycznych (3-10nm) wydzieleń w amorficznej matrycy ogranicza propagację dyslokacji oraz mikropęknięć. Duży udział granic ziaren w materiale nanokrystalicznym sprzyja podwyższeniu plastyczności dzięki poślizgom po granicach ziaren. Warstwa pośrednia/przejściowa (często z gradientem składu) powinna zapewniać wysoka adhezję i umożliwiać relaksację naprężeń. A.A. Voevodin, Tsinghua Science and Technology, 10 (2005)

15 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewnaSiC, Si3N4, taC, aC:H A.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Supertough wear-resistant coatings with `chameleon' surface adaptation, Thin Solid Films 370 (2000) 223–231. Veprek S. Conventional and new approaches towards the design of novel superhard materials. Surf. Coat. Technol., 1997, 97:

16 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewnaA.A. Voevodin, J.S. Zabinski, Supertough wear-resistant coatings with `chameleon' surface adaptation, Thin Solid Films 370 (2000) 223–231. J. Patscheider, Nanocomposite Hard Coatings for Wear Protection, MRS Bulletin, 28 (2003) 173.

17 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewnaTiN/a-Si3N4 S.Veprek et al., Thin Solid Films, 476 (2005) 1–29

18 Wielowarstwy – supersieciPowłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna Wielowarstwy – supersieci powłoki wielowarstwowe o grubości podpowłok 5-25 nm podwyższona twardość i wiązkość, podwyższona odporność na zużycie ścierne i korozję. HSS/TiN/TaN Sture Hogmark, Staffan Jacobson, Mats Larsson, Design and evaluation of tribological coatings, Wear 246 (2000) 20–33.

19 Wielowarstwy – supersieciPowłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna Wielowarstwy – supersieci Holleck H, Schier V. Multilayer PVD coatings for wear protection. Surf. Coat. Technol., 1995, 76-77:

20 Wielowarstwy – supersieciPowłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna Wielowarstwy – supersieci powłoki wielowarstwowe o grubości podpowłok 5-25 nm podwyższona twardość i wiązkość, podwyższona odporność na zużycie ścierne i korozję. A Escudeiro Santana, PhD thesis, EPFL Lausanne 2004

21 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewnaPowłoki na bazie węgla Bombardowanie jonami, a szczególnie ich energia, decyduje o strukturze powłok na bazie węgla. Bombardowanie jonowe prowadzi do zagęszczenia struktury przy równoczesnym indukowaniu bardzo wysokich naprężeń ściskajacych. Wysokie naprężenia ściskajace są przyczyną delaminacji powłok po przekroczeniu grubości krytycznej. Naprężenia te mogą być zredukowane na wiele sposobów. A.C. Ferrari, J. Robertson, Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon, Phys. Rev. B 61 (20) (2000)

22 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna[J. Robertson] J. Robertson, Materials Science and Engineering R 37 (2002)

23 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna25 nm 100 nm 10 GPa [M. Chhowalla] M. Chhowalla, Diamond and Related Materials 10 (2001)

24 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewnaA.C. Ferrari, J. Robertson, Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon, Phys. Rev. B 61 (20) (2000) G peak position and I(D)/I(G) ratio vs sp3 fraction for as-deposited a-C:H.

25 taC taC:H aC:H Nanokompozyty na bazie węgla Al Ni Co Cu Ag, AuPowłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna Nanokompozyty na bazie węgla taC Al Ni Co Cu Ag, Au Ti Cr V Mo Ta Zr W MeCx-taC Me-taC Si taC:H aC:H Ti Cr V Mo Ta Zr W Me-taC:H MeCx-taC:H Me-aC:H MeCx-aC:H Al Ni Co Cu Ag, Au Si

26 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna(111) (200) (220) (311) (222) (400) (420) (422) Nanocrystalline MeCx x crystallites < 20 nm Nanocomposite MeC-aC;H crystallites < 10 nm crystallites < 4 nm Powłoki nanokompozytowe typu XC/a-C:H krystality < 10 nm b) d) c) a) Up to 10 % a-C:H % a-C:H % a-C:H MeC aC:H TiC d = 8-10nm TiC-aC:H d = 4-6nm H = 32 GPa, μ = 0.35 Ti48C40H9(O,N.Ar)3 d = <4nm H = 42 GPa, μ = 0.26 Ti38C52H6(O,N.Ar)4 H = 15 GPa, μ = 0.06 Ti6C72H21(O,N.Ar)1 A. Czyżniewski et al., Journal of Materials Processing Technology 157–158 (2004) 274–283

27 taC Metody nanoszenia warstw Si Al Ni Ti Cr V Mo Ta Zr W Co Cu Ag, AuPowłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna taC Al Ni Co Cu Ag, Au Ti Cr V Mo Ta Zr W MeCx-taC Me-taC Si Metody nanoszenia warstw Rozpylanie magnetronowe (wieloźródłowe lub z targetów segmentowych), HIPIMS Rozpylanie wiązką jonową (z wielu targetów) Próżniowy łuk katodowy

28 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewnaSi-taC films Filtered vacuum arc of graphite with simultaneous magnetron sputtering of Si. Churl Seung Lee et al., Diamond and Related Materials 11 (2002) 198–203

29 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewnaaSiC-taC sp3/sp2 Churl Seung Lee et al., Diamond and Related Materials 11 (2002) 198–203

30 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewnaMe-taC, Me = Al, Ti sp3/sp2 ncTiC-taC Al-taC B.K. Tay et al., Diamond and Related Materials 10 (2001) (Al or Ti – taC) D. Sheeja et al., Diamond and Related Materials 12 (2003) 2032–2036 (Al -taC) S. Zhang et al., Thin Solid Films 482 (2005) 138– 144 (Ti+Al – taC)

31 TiC– aC:H nanocomposite filmsPowłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna TiC– aC:H nanocomposite films C1s C-C C-Ti W. Gulbiński et al., Applied Surface Science 239 (2005) 302–310

32 TiC– aC:H nanocomposite filmsPowłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna TiC– aC:H nanocomposite films W. Gulbiński et al., Applied Surface Science 239 (2005) 302–310

33 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewnaWykonawcy projektu: Jan Staśkiewicz – kierownik Witold Gulbiński Tomasz Krzyżyński Jerzy Ratajski Jan Walkowicz Andrzej Czyżniewski Adam Gilewicz Roman Olik Tomasz Suszko Bogdan Warcholiński

34 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewna

35 Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone metodami próżniowo-plazmowymi na narzędzia do obróbki drewnaDziękuję za uwagę