Προσδιορισμός συμπεριφοράς PVD επικαλύψεων επί κοπτικών εργαλείων σε επαναλαμβανόμενη κρούση με διάφορα φορτία και θερμοκρασίες

Abstract

Coatings on cutting tools experience high mechanical and thermal loadings, especially at high cutting speeds. The investigation of the acting phenomena under such cutting conditions is of crucial importance towards explaining the coating failure and wear propagation. Recent improvements of the impact test rendered feasible the conduct of investigations at elevated temperatures. Many PVD films monolayers and a multilayer, with different micro and macro structures, were applied. The coatings’ strength properties were detected by nanoindentations and by impact tests at various temperatures. These results were considered in FEM calculations of the material removal process to determine the mechanical and thermal loadings of the cutting wedge. Finally, a correlation of the milling performance at various cutting speeds with the coating impact behavior at high temperatures was established. The presented results render the impact test at elevated temperatures, as a very efficient method for detecting coating resistance for the synchronous contribution of fatigue and thermal phenomena to the film fracture and wear. A need to examine what precisely happens at the test of repeated impact procedure was created due to various factors superseding during the procedure. Specifically the offer of mechanical energy and the restricted area of contact are responsible for the coating failure. The results were very exciting as they showed differences in the hardness of the imprint. The center proved to be harder than the periphery of the imprint. The applied impact loads were 30, 60 and 90 daN and the number of impacts was set to 105 and 106. The results were the same in all cases. Additionally it was found that increasing the load force the differentiation of prices of depth penetration which is translated as hardness, grows higher for the same always number of impacts. Βy a FEM supported simulation of the nanoindentations, the coating’s load-displacement behaviour in various areas of the impact imprint were predicted and the effective coating mechanical properties as well. Furthermore the tension fields derived from the stimulation confirm that the covering is not charged plastic but remained in the flexible region. On the contrary the sub layer is charged and as it charged with forces, drifts the coating in the centre of the imprint with compression forces while in the periphery tension forces occurred. Finally those different forces result the coating failure. Until now the experiments were taken place at room temperature. The innovation in the particular thesis is the need to investigate the coatings behaviour in higher temperature for a different number of loads. So occurs the opportunity to correlate the results of cutting in various speeds thus different temperature leading to the investigation of the wear mechanism. Additionally, the results of impact test compared with the real results from cuttings gave exactly similar behaviour.

Η εναπόθεση σκληρών λεπτών επικαλύψεων με τη μέθοδο της φυσικής εναπόθεσης ατμών αποτελεί ιδιαίτερα σημαντικό τμήμα της βιομηχανίας μηχανολογικών εξαρτημάτων και κοπτικών εργαλείων, καθώς η ανάγκη βελτίωσης των επικαλύψεων και των τρόπων εναπόθεσής τους είναι διαρκής. Για το σκοπό αυτό κρίθηκε απαραίτητο να πραγματοποιηθεί επισταμένη μελέτη σχετικά με τις εσωτερικές τάσεις, τη δομή των επικαλύψεων, αλλά και ποια είναι η συμπεριφορά τους σε υψηλές θερμοκρασίες. Μελετήθηκε λοιπόν, σε δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης, ένας μεγάλος αριθμός επικαλύψεων, μονοστρωματικές και διστρωματικές από διάφορες οικογένειες, για ποικίλες θερμοκρασίες και φορτία. Τα αποτυπώματα όλα φωτογραφήθηκαν σε οπτικό μικροσκόπιο SEM και μέσω ειδικού λογισμικού WEPROC αξιολογήθηκαν και προσδιορίστηκε κάθε φορά το ποσοστό αστοχίας. Πολλά αποτελέσματα παρουσιάστηκαν συγκρινόμενα μεταξύ τους ώστε να είναι εμφανής η κοινή επίδραση της θερμότητας στις επικαλύψεις. Για όλες τις περιπτώσεις επικαλύψεων που υποβλήθηκαν σε κρούση, πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις μέσω ειδικού λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν με τα θεωρητικά υπολογισμένα. Δημιουργήθηκε όμως η ανάγκη να εξετασθεί το τι ακριβώς συμβαίνει κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης και κατά πόσο η δοκιμασία η ίδια, λόγω της σημειακής φόρτισης και της προσφοράς μηχανικής ενέργειας, οφείλεται για την μεταβολή των ιδιοτήτων της επικάλυψης. Επικάλυψη υποβλήθηκε σε επαναλαμβανόμενη κρούση και στη συνέχεια το αποτύπωμα που προέκυψε μελετήθηκε μέσω διαδικασίας νανοδιείσδυσης ως προς την σκληρότητά τους. Τα αποτελέσματα ήταν ιδιαίτερα ενδιαφέροντα καθώς έδειξαν ότι η σκληρότητα στην περιοχή του αποτυπώματος δεν είναι παντού η ίδια. Στο κέντρο το αποτύπωμα είναι πιο σκληρό σε σχέση με την περιφέρειά του. Η όλη διαδικασία προσομοιώθηκε με λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων και τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν και θεωρητικά. Οι ιδιότητες λοιπόν, της επικάλυψης δεν επηρεάζονται από την σημειακή της φόρτιση. Τα τασικά πεδία που προέκυψαν από την προσομοίωση επιβεβαιώνουν ότι η επικάλυψη δεν φορτίζεται πλαστικά και παραμένει στην ελαστική περιοχή. Αντίθετα, αυτό που φορτίζεται είναι το υπόστρωμα. Καθώς λοιπόν φορτίζεται το υπόστρωμα παρασύρει την επικάλυψη και στο κέντρο του αποτυπώματος η επικάλυψη καταπονείται με θλιπτικές τάσεις, ενώ στην περιφέρειά της με εφελκυστικές. Οι φορτίσεις αυτές οδηγούν στην αστοχία της επικάλυψης. Τέλος, έγινε μία προσπάθεια να μελετηθεί η επίδραση του υποστρώματος στην συμπεριφορά της επικάλυψης. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η επικάλυψη TiAlN η οποία εναποτέθηκε σε δύο διαφορετικά υποστρώματα. Η διαφορά των δύο υποστρωμάτων εντοπίζεται στο μέγεθος των κόκκων του σκληρομετάλλου. Συμπερασματικά προέκυψε ότι η επικάλυψη που εναποτέθηκε στο υπόστρωμα με μικρούς κόκκους παρουσίασε καλύτερη συμπεριφορά και μεγαλύτερη αντοχή, επιβεβαιώνοντας για άλλη μια φορά τη σημασία της προετοιμασίας του υποστρώματος στη συμπεριφορά της επικάλυψης. Επειδή όμως η σπουδαιότητα των επικαλύψεων επικεντρώνεται στα κοπτικά εργαλεία και το ενδιαφέρον των βιομηχανιών έγκειται κυρίως στην απόδοση των κοπτικών εργαλείων, τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες, συγκρίθηκαν με την πραγματική συμπεριφορά των επικαλύψεων σε κοπή. Οι κοπές πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής μηχανολογίας. Η συμπεριφορά των επικαλύψεων σε κοπή είναι πανομοιότυπη και δείχνει την ίδια τάση όπως κι αυτή που προέκυψε από τα πειράματα επαναλαμβανόμενης κρούσης. Η διαπίστωση αυτή καθιστά τη διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες μία έγκυρη μέθοδο αξιολόγησης των επικαλύψεων.