HODNOTENIE VLASTNOSTÍ SEKACÍCH NOŽOV UPRAVENÝCH PVD POVLAKOM AlCrN A PLAZMOVOU NITRIDÁCIOU

V súčasnosti sa kladie veľký dôraz na výskum obnoviteľných zdrojov. Medzi ne patrí aj biomasa, ktorá je zdrojom obnoviteľných surovín a energie. Biomasa sa môže využívať na mnohé účely v špeciálnych priemyselných, technických a energetických odvetviach a v súčasnosti pokrýva 14 % celosvetovej spotreby energie [1,2]. Význam drevospracujúceho priemyslu je stále vysoký a štiepkovanie dreva je dôležitým krokom vo väčšine lesnícko-priemyselných procesov [3]. Drevná štiepka je častou primárnou surovinou na výrobu peliet ako paliva pre priemyselný aj súkromný sektor. Preto kvalita vstupnej suroviny – drevnej štiepky, pre ich výrobu musí byť sledovaná a dôkladne dodržiavaná. 

Opotrebenie nástroja pri rezaní dreva je charakterizované javom, že rezná hrana nástroja nie je vhodná na ďalšie použitie v dôsledku rozsiahlej deformácie a/alebo zlomenia reznej hrany. Opotrebovanie rezného nástroja má významný vplyv na kvalitu obrobených plôch a priamo ovplyvňuje kvalitu hotového výrobku ako aj ďalšie parametre obrábania, napríklad hluk, zvýšenú spotrebu energie a vibrácie [3-8].

Účinnou metódou na zníženie opotrebenia nástroja je modifikácia jeho povrchu tenkým tvrdým povlakom, vyrobeným metódou fyzikálneho naparovania (PVD) alebo chemického naparovania (CVD). Nástroje s povlakom sa už dlho úspešne používajú pri trieskovom obrábanie alebo tvárnení kovov [9-11]. Povlak na nástrojoch umožňuje okrem iných výhod znížiť opotrebovanie rezných hrán, čo by malo zabezpečiť zvýšenie ich životnosti [12].

Častá výmena nástrojov spôsobuje prestoje strojov, čo má za následok nie len technické, ale hlavne ekonomické problémy spoločností pôsobiacich v drevospracujúcom priemysle. Z tohto dôvodu je potrebné hľadať a aplikovať možnosti zvyšovania životnosti sekacích nožov. 

 

Materiál a metódy

Pre experiment boli použité sekacie nože, ktoré sa používajú v sekačke Pezzolato H 780/200 (Obrázok 1a), s detailom mechanizmu spracovania drevnej hmoty (Obrázok 1b). Sekačka je počas prevádzky zapojená v trojbodovom závese traktora a počas prepravy v spodnom závese traktora. Je určená pre spracovanie drevných zvyškov pochádzajúcich so sezónnej údržby stromov, živých plotov, z likvidácie konárov po ťažbe atď. 

Obr. 1 Sekačka Pezzolato H 780/200 (a), detail mechanizmu pre spracovávanie drevnej hmoty (b)

Tieto nože sa podľa informácií od výrobcu, vyrábajú z ocele X48CrMoV8-1-1 (obr. 2). Je to nástrojová legovaná oceľ pre prácu za studena i za tepla, určená na zápustky na kovacie lisy, vložky zápustiek, pretlačovacie nástroje, nástroje s dobrou pevnosťou v tlaku a zvlášť s vysokou oteruvzdornosťou. Medza pevnosti ocele v stave kalenom a popustenom je Rm=1 270 – 2 100 MPa. Dosiahnuteľná tvrdosť je podľa zvolenej popúšťacej teploty deklarovaná v rozmedzí 40 HRC až 56 HRC (údaje sú dostupné z materiálového listu ocele). Podľa informácii od výrobcu sekacích nožov, spoločnosti PILANA Group a. s., Hulín, (CZ), bol nôž (Vz. 1) kalený z teploty T=1 032°C. Popúšťacia teplota bola T=542°C. Výrobcom deklarovaná tvrdosť nožov je 57 HRC, čo predstavuje hodnotu tvrdosti 630 HV.

Obr. 2: Sekací nôž – Vz. 1

Chemické zloženie materiálu sekacieho noža, ktorý bol použitý pre experiment, je uvedené v tab. 1.

 

Tab. 1: Chemické zloženie materiálu Vz. 1

Prvok	C	Si	Mn	Cr	Mo	P	S	V	Fe
Vz. 1	0,45 – 0,5	0,7 – 0,9	0,35 – 0,45	7,3 – 7,8	1,3 – 1,5	max. 0,020	max. 0,005	1,3 – 1,5	zvyšok

 

Pôvodný sekací nôž (Vz. 1), bol upravený, a to povlakovaním PVD povlakom „CROSAL Plus“ na báze AlCrN – Vz. 2 (obr. 3a). Tento povlak bol nanesený pri teplote 400°C a dosiahol výrobcom deklarovanú hrúbku 2 až 5 μm. Na obr. 3b môžeme vidieť sekací nôž po plazmovej nitridácií, ktorá prebehla v ochrannej atmosfére dusíka, pri teplote 480°C po dobu 20 hod. na hodnotu tvrdosti 1 120 HV1. Povrchové úpravy nožov boli vykonané v prevádzke spoločnosti voestalpine High Performance Metals Slovakia, Martin.

Obr. 3 Sekacie nože PVD povlak AlCrN (a,); plazmová nitridácia (b,)

 

Z každého noža boli odobraté vzorky technológiou delenia materiálov abrazívnym vodným lúčom (AWJM), ktoré boli následne použité pre:

• meranie nanotvrdosti a modulu pružnosti [13];
• skúšku odolnosti voči abrazívnemu opotrebeniu podľa ASTM G133 – 05 [14];
• skúšku odolnosti voči opotrebeniu podľa GOST 23.208-79 [15]. 

Nanoindentačné meranie na stanovenie nanotvrdosti a modulu pružnosti sa vykonalo pomocou nanoindentačného prístroja Agilent G200. Meranie nanotvrdosti sa vykonali podľa normy ISO 14577-1, použitím diamantového Berkovičovho hrotu. Bola použitá metóda vtláčania s riadeným zaťažením. Pre Vz. 1 bolo maximálne zaťaženie 100 mN. Meranie nanotvrdosti pre Vz. 2 a 3 sa uskutočnilo pri veľmi nízkom zaťažení, a to 25 mN, aby sa zabránilo nežiaducemu prenikaniu indentora cez PVD vrstvu. 

Skúška odolnosti voči abrazívnemu opotrebeniu podľa normy ASTM G133 – 05 (Ball on Disc) sa vykonala pomocou automatického tribometra Bruker UMT 3, v podmienkach translačného suchého kĺzania, pri teplote a tlaku okolia. Pre skúšku boli stanovené nasledovné podmienky: 

• zaťažujúca sila: 20 N;
• rýchlosť: 0,1 m.s-1;
• celkový prejdená (klzná) vzdialenosť: 250 m;
• polomer dráhy: 5 mm;
• priemer guľôčky: 6 mm;
• materiál guľôčky: keramická guľôčka SiC.

Koeficient trenia bol vypočítaný pomerom tangenciálnych a normálových síl a bol uvedený v závislosti od klznej vzdialenosti. Odstránený objem sa meral pomocou konfokálneho mikroskopu PLu neox 3D Optical Profiler. Bolo zaznamenaných sto vrstiev pozdĺž dráhy. Rýchlosť opotrebenia (W) sa určila podľa vzorca (1): 

kde:

V – úbytok objemu [mm³], 

L – vzdialenosť [m],

F – aplikované zaťaženie [N].

 

Skúška odolnosti voči abrazívnemu opotrebeniu podľa normy GOST 23.208-79 sa vykonala pomocou prístroja TESTER T-07, spolu s prístrojom pre zaznamenávanie jednotlivých cyklov BT-16 Controller.

Pre zistenie hmotnostného úbytku každej vzorky, boli vzorky vážené na analytickej váhe Kern ABS s citlivosťou e=0,1 mg. Pre skúšku boli stanovené nasledovné podmienky:

• počet cyklov: 11;
• dĺžka trecej dráhy v jednom cykle: R=153,6 m;
• priemer gumeného kotúča: D=48,9 mm;
• prítlačná sila: F=15,68 N;
• otáčky kotúča v jednom cykle: n=1 000 ot.;
• abrazívum: kremičitý piesok so zrnitosťou 0,1 až 0,2 mm.

Pred samotnou skúškou a po každom cykle sa vzorka vybrala a odvážila 3x, aby bolo možné zistiť hmotnostný úbytok materiálu. Následne sa vypočítal aritmetický priemer a tento údaj sa zapísal do tabuľky. Po skončení posledného cyklu a odvážení vzorky, sa z nameraných hodnôt vypočítal priemerný hmotnostný úbytok W_h. Po vypočítaní priemerného hmotnostného úbytku pre každú vzorku, sa vypočítala pomerná odolnosť voči abrazívnemu opotrebeniu Ψ_abr podľa vzorca (2) [15]:

kde:

W_hE – hmotnostný úbytok porovnávacieho skúšobného telesa – etalónu [g],

W_hV – hmotnostný úbytok skúšobného telesa – vzorky [g].

 

 Obr. 4  Prístroj TESTER T-07

 

Merania, experimenty a skúšky prebehli v laboratóriách Fakulty techniky Technickej univerzity vo Zvolene, Technickej fakulty ČZU v Prahe a laboratóriách Ústavu materiálového výskumu SAV v Košiciach.

 

Výsledky a diskusia 

Meranie nanotvrdosti a modulu pružnosti

Meranie nanotvrdosti a modulu pružnosti boli vykonané pre pôvodný stav sekacieho noža – Vz. 1, a taktiež pre povlakovaný nôž – Vz. 2 a pre plazmovo-nitridovaný nôž – Vz. 3, s cieľom určiť dve kritériá, ktoré majú vo všeobecnosti rozhodujúci vplyv na odolnosť materiálu proti opotrebeniu, a to tvrdosť a modul pružnosti. V Tabuľke 2 sa nachádzajú výsledky z tohto merania. 

 

Tab. 2 Výsledky meraní nanotvrdosti a modulu pružnosti

Vzorky	Nanotvrdosť [GPa]	Modul pružnosti [GPa]
Vz. 1	8,04 ± 0,6	213,8 ± 8,6
Vz. 2	23,7 ± 1,6	270,3 ± 19,0
Vz. 3	11,8 ± 2,3	232,8 ± 23,2

 

Niektorí autori tvrdia, že tvrdosť má silnú koreláciu s odolnosťou voči opotrebeniu [16,17], čo znamená, že vzorky s najvyššou tvrdosťou by mali najlepšie odolávať opotrebeniu. Na druhej strane, iní autori vo svojich štúdiách argumentujú, že tvrdenie o vplyve tvrdosti na odolnosť voči opotrebeniu nie je úplne správne, pričom uvádzajú, že tvrdosť nemá významný vplyv [18]. Preto bolo nevyhnutné vykonať skúšky opotrebenia na všetkých vzorkách, aby sa získali relevantné údaje.

 

Skúška odolnosti voči opotrebeniu podľa ASTM G133 – 05

Táto skúška bola taktiež vykonaná pre všetky tri vzorky a výsledky z tejto skúšky sú uvedené v tab. 3.

 

Tab. 3 Výsledky meraní po skúške odolnosti voči opotrebeniu podľa ASTM G133 – 05

Vzorky	Koeficient trenia [-]	Miera opotrebenia [mm3/N.m]
Vz. 1	0,51 ± 0,14	2,38. 10-6
Vz. 2	0,34 ± 0,21	1,88. 10-6
Vz. 3	0,35 ± 0,17	3,91. 10-6

 

Skúška odolnosti voči abrazívnemu opotrebeniu podľa GOST 23.208-79

Výsledky zo skúšky podľa GOST 23.208-79 pre každú vzorku sú uvedené v Tabuľke 4. Pomerná odolnosť voči abrazívnemu opotrebeniu ψ_abr pre Vz. 1 bola stanovená na hodnotu 1 – pôvodný stav noža (neupravený). 

 

Tab. 4: Výsledky meraní po skúške odolnosti voči abrazívnemu opotrebeniu podľa GOST 23.208-79

Vzorky	Priemerný hmotnostný úbytok Wh [g]	Pomerná odolnosť voči abrazívnemu opotrebeniu ψabr [-]
Vz. 1	0,0030	1
Vz. 2	0,0028	1,07
Vz. 3	0,0011	2,73

 

Na základe získaných výsledkov môžeme konštatovať, že odolnosť proti opotrebeniu sa nemusí nevyhnutne zvyšovať so zvyšovaním tvrdosti a modulu pružnosti. Možno predpokladať, že odolnosť proti opotrebeniu povlakovaného materiálu bude silne závisieť od priľnavosti povrchovej vrstvy. Veľmi dôležitú úlohu tu hrá aj samotný drevný materiál. Svojou povahou a nehomogenitou zloženia významne vplýva na proces spracovania. Podľa autorov [2,3,19] stupeň priľnutia, nahorenia drevnej hmoty na povrch noža v procese sekania veľmi ovplyvňuje jeho životnosť ako aj celkový výkon zariadenia pre spracovanie drevnej hmoty.

Z tohto dôvodu je potrebné vykonať iné ďalšie relevantné skúšky, ktoré budú predmetom nášho ďalšieho výskumu. 

 

Záver

Článok bol zameraný na skúmanie vplyvu povrchových úprav – PVD povlaku (AlCrN) a plazmovej nitridácie na nanoindentačné charakteristiky a tribologické správanie nástrojovej ocele X48CrMoV8-1-1, ktorá sa používa na výrobu štiepacích nožov. Na základe získaných výsledkov je možné konštatovať nasledovné:

• najvyššiu hodnotu nanotvrdosti a modulu pružnosti dosiahla Vz. 2 s PVD povlakom AlCrN, avšak pri oboch skúškach opotrebenia, dosiahla táto vzorka v porovnaní so Vz. 3 horšie výsledky,
• v porovnaní s pôvodným stavom noža (Vz. 1), ktorý nebol upravovaný, dosiahli obe vzorky – Vz. 2 a Vz. 3, lepšie výsledky nanotvrdosti, modulu pružnosti a taktiež pri oboch skúškach opotrebenia.

Môžeme teda konštatovať, že obe úpravy sekacieho noža – PVD povlak AlCrN a plazmová nitridácia, môžu prispieť k zvýšeniu životnosti týchto nožov. Avšak je nevyhnutné vykonať ďalšie relevantné laboratórne a taktiež prevádzkové skúšky a merania, aby sa zistila vhodnosť navrhnutých úprav pri zohľadňovaní zreteľa problémov, spojených so spracovávaním drevnej hmoty.

 

Poďakovanie

Tento článok bol vytvorený za podpory projektu APVV-21-0180 „Inovatívne prístupy k zvyšovaniu životnosti a znižovaniu energetickej náročnosti rezných nástrojov pri spracovaní dreva v lesníctve“.

 

Literatúra

[1] Kühmaier, M., and Erber, G. (2018). “Research trends in European forest fuel supply chains: A review of the last ten years (2007–2016) – Part two: Comminution, transport & logistics,” Croatian Journal of Forest Engineering: Journal for Theory and Application of Forestry Engineering 39(1), 139-152.

[2] Latushkina, S. D., Rudak, P. V., Kuis, D. V., Rudak, O. G., Posylkina, O. I., Piskunova, O. Y., Kováč, J., Krilek, J., and Barcík, Š. (2016). “Protective woodcutting tool coatings,” Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis 64, Article Number 95. DOI: 10.11118/actaun201664030835

[3] Krilek, J., Gendek, A., Aniszewska, M., Szewczyk, G., Ťavodová, M., Spinelli, R., Kováč, J., Malaťák, J., Kormanek, M., Mancel, V., et al. (2024). “Research of chipper knives with a modified cutting edge for the production of dimensionally uniform wood chips,” BioResources 19(2), 3653-3667. DOI: 10.15376/biores.19.2.3653-3667

[4] Nati, C., Spinelli, R., and Fabbri, P. (2010). “Wood chips size distribution in relation to blade wear and screen use,” Biomass Bioenergy 34(5), 583–587. DOI: 10.1016/j.biombioe.2010.01.005

[5] Spinelli, R., Magagnotti, N., Paletto, G., and Preti, C. (2011). “Determining the impact of some wood characteristics on the performance of a mobile chipper,” Silva Fennica 45(1), 85-95. DOI: 10.14214/sf.33

[6] Warcholinski, B., and Gilewicz, A. (2022). “Surface engineering of woodworking tools, a review,” Applied Sciences 12(20), Article Number 10389. DOI: 10.3390/app122010389

[7] Nati, C., Eliasson, L., and Spinelli, R. (2014). “Effect of chipper type, biomass type and blade wear on productivity, fuel consumption and product quality,” Croatian Journal of Forest Engineering: Journal for Theory and Application of Forestry Engineering 35(1), 1-7.

[8] Haddadi, E., Shabghard, M. R., and Ettefagh, M. M. (2008). “Effect of different tool edge conditions on wear detection by vibration spectrum analysis in turning operation,” Journal of Applied Sciences 8(21), 3879-3886. DOI: 10.3923/jas.2008.3879.3886

[9] Souza, P. S., Santos, A. J., Cotrim, M. A. P., Abrão, A. M., and Câmara, M. A. (2020). “Analysis of the surface energy interactions in the tribological behavior of ALCrN and TIAlN coatings,” Tribology International 146, Article ID 106206. DOI: 10.1016/j.triboint.2020.106206

[10] Mitterer, C., Holler, F., Reitberger, D., Badisch, E., Stoiber, M., Lugmair, C., Nöbauer, R., Müller, T., and Kullmer, R. (2003). “Industrial applications of PACVD hard coatings,” Surface and Coatings Technology 163, 716-722. DOI: 10.1016/S0257-8972(02)00685-0

[11] Brezinová, J., Džupon, M., Puchý, V., Brezina, J., Maruschak, P., Guzanová, A., Sobotová, L., and Badida, M. (2024). “Research on the tribological properties of a new generation of multi-layer nanostructured PVD coatings for increasing the technological lifetime of moulds,” Metals 14(1), Article Number 131. DOI: 10.3390/met14010131

[12] Schalk, N., Tkadletz, M., and Mitterer, C. (2022). “Hard coatings for cutting applications: Physical vs. chemical vapor deposition and future challenges for the coatings community,” Surface and Coatings Technology 429, Article ID 127949. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2021.127949

[13] ISO 14577–1 (2015). “Metallic materials—Instrumented indentation test for hardness and materials parameters—Part 1: Test method,” International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland.

[14] ASTM G133 – 05 (2016). “Standard Test Method for Linearly Reciprocating Ball-on-Flat Sliding Wear,” American Society for Testing and Materials, Pennsylvania, USA.

[15] GOST 23.208-79 (1981) „Ensuring of Wear Resistance of Products. Wear Resistance Testing of Materials by Friction against Loosely Fixed Abrasive Particles,“ Federal Agency on Technical Regulating and Metrology, Moskow, Russia.

[16] Kováč, I., Mikuš, R., Žarnovský, J., Drlička, R., Harničárová, M., Valíček, J. and Kadnár, M., (2022) „Increasing the wear resistance of surface layers of selected steels by TIG electric arc surface remelting process using a powder based on CaCN2,“ The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 123(5), 1985-1997. DOI: 10.1007/s00170-022-10316-x

[17] Slota, J., Kubit, A., Gajdoš, I., Trzepieciński, T. and Kaščák, Ľ. (2022) „A comparative study of hardfacing deposits using a modified tribological testing strategy,“ Lubricants 10(8), 187. DOI: 10.3390/lubricants10080187

[18] Falat, L., Džupon, M., Ťavodová, M., Hnilica, R., Ľuptáčiková, V., Čiripová, L., Homolová, V. and Ďurišinová, K. (2019) „Microstructure and abrasive wear resistance of various alloy hardfacings for application on heavy-duty chipper tools in forestry shredding and mulching operations,“ Materials 12(13), 2212. DOI: 10.3390/ma12132212

[19] Hellström, L.M., Gradin, P.A., Gulliksson, M. et al. (2011) A Laboratory Wood Chipper for Chipping Under Realistic Conditions. Exp Mech 51, 1309–1316. https://doi.org/10.1007/s11340-010-9452-1

 

Text a foto: doc. Ing. Miroslava Ťavodová, PhD., prof. Ing. Jozef Krilek, PhD, Technická univerzita vo Zvolene

* doc. Ing. Miroslava Ťavodová, PhD., Katedra výrobných technológií a manažmentu kvality, Fakulta techniky, Technická univerzita vo Zvolene, Študentská 26, 960 01 Zvolen

** RNDr. Miroslav Džupon, PhD., ÚMV SAV Košice

*** prof. Ing. Jozef Krilek, PhD., Katedra environmentálnej a lesníckej techniky, Fakulta techniky, Technická univerzita vo Zvolene, Študentská 26, 960 01 Zvolen