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 posti...
| Main Author: | |
|---|---|
| Other Authors: | |
| Format: | Doctoral or Postdoctoral Thesis |
| Language: | Croatian |
| Published: |
Sveučilište u Zagrebu. Fakultet strojarstva i brodogradnje.
2020
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://dr.nsk.hr/islandora/object/fsb:6693 https://urn.nsk.hr/urn:nbn:hr:235:951787 https://repozitorij.unizg.hr/islandora/object/fsb:6693 https://repozitorij.unizg.hr/islandora/object/fsb:6693/datastream/PDF |
| Summary: | 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 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 validaciju 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. Hardmetals, commercially called Widia, are the most researched and developed representatives of powder metallurgy materials in the metal cutting industry. The development of these materials nowadays is based on the application of ultrafine and nano sized powders for sintering which significantly improve the properties of the product, allow application at higher cutting speeds, lower tolerances and longer tool life. The most important way to increase the tribological properties of tools is certainly to coat them with thin hard coatings. Coated hardmetals currently account for 80-90% of cutting tool production thanks to their unique combination of wear resistance and toughness as well as the ability to form complex shapes. By surface processes (modification and / or coating) it is possible to form a surface layer / base material system with properties that can meet modern expectations with acceptable production costs. However, commercially available cemented carbide tools have not yet stepped into the nano range and their grain size of the carbide phase after sintering is higher than 200 nm. The reason for this lies in the current cost of production of cemented carbide tools below the nano grain size, the complexity of the sintering process, and the high purity of the environment in which such tools are produced in laboratory conditions. Accordingly, the coating procedures used on such tools are relatively older because in practice they have proven to be sufficient to create a compact layer of base material - coating. As nano materials are highly reactive, both in the sintering and coating phase, when using chemical vapour deposition process (CVD) at around 1000 °C on the surface of the tool, microstructural defects are formed that disrupt one of their most important properties, which is toughness. The reduction of the coating temperature is enabled by applying of one of the most modern surface engineering technologies, ie. plasmaassisted chemical vapour deposition (PACVD) process. The PACVD process, which is nowadays still insufficiently studied on hardmetals, uses plasma to lower the coating temperature to about 500 °C. In the framework of this doctoral thesis, a cemented carbide tool with 5 wt. % Co, 10 wt. % Co and 15 wt. % Co was successfully sintered, and by the use of plasma-assisted chemical vapour deposition, with the aim of improving properties of these tools, new and innovative systems base material/coating were produced, which were until now unknown and unexplored in practice. The theoretical part of the paper describes in detail the process of obtaining a sintered cemented carbide product, describes the technical requirements that are placed on cutting tools in terms of their properties and explains the mechanisms of wear of cemented carbide tools. The PACVD process is described in detail from the perspective of coating hard metals and the mechanisms of forming layers have been explained. The experimental part is divided into two parts, the first of which refers to the implementation and validation of the success of sintering of nano-sized hardmetal, and the second involves the application of coatings on the produced material. In the first section of the experimental part, the characteristics of the initial powder mixtures are described in detail, as well as the procedures that preceded the sintering by the Sinter HIP process. Nano-sized grain formation, without the presence of unwanted microstructural defects, was confirmed by XRD testing, microstructural analysis and carbid grain size determination on a scanning electron microscope with field emission (FESEM), but also by indirect non-destructive characterization methods such as measuring magnetic properties. Of the mechanical properties, the most important properties of hard metals were examined, namely hardness and fracture toughness, and the obtained results were compared with the literature values for hardmetal materials of identical grain size of the carbide phase. The second part includes the PACVD coating process with an emphasis on the development of new innovative coating systems, coating/base material. By determining the crystal structure by the XRD method, it was confirmed that the PACVD process does not cause the formation of microstructural defects on the surface of the base material. Characterization of the obtained surface layers was performed by microstructural analysis using light and electron microscopy, surface roughness determination, coating adhesion testing by scratch test method and Rockwell C indentation method, coating thickness measurement by calotest method and microhardness test of coatings. In order to quantify the impact of newly developed surface layers on the properties and durability of cemented carbide tools, erosion wear testing (particle erosion), determination of friction and sliding wear factors (pin on disc), but also testing of tool durability by single point turning test was performed. Based on a comprehensive analysis of the obtained results, it was concluded that PACVD coating process can achieve significant improvements in the tribological and mechanical properties of cemented carbide cutting tools. |
|---|