Tribologické povlaky pre tvárniace stroje

Existuje viacero pojmov používaných na popis opotrebenia, za­hŕňajúc abráziu, adhéziu, oder, oter, pitting, jamkovú koróziu, odlupovanie, mierne opotrebenie, extrémne opotrebenie, eró­ziu, náraz, oxidačné opotrebenie, fretting, oddelenie materiálu, odlupo­vanie, praskanie, delamináciu, atď. Niektoré z týchto javov a pojmov opotrebenia sú podobné, čo môže spôsobiť problémy pri pochopení me­chanizmov opotrebenia. Za účelom dosiahnutia väčšej jasnosti mecha­nizmov opotrebenia, Kato a Adachi zhrnuli vzájomné vzťahy medzi poj­mami opotrebenia na základe typov kontaktov, deformačných stavov a princípov odstraňovania materiálu – obr. 2 [2]. Všeobecne sa predpokla­dá, že identifikácia mechanizmu opotrebenia je jedným z najdôležitejších faktorov pri výbere povlaku a pred aplikáciou povlaku je potrebné poznať skutočný dôvod zlyhania povrchu. Vo väčšine prípadov je však opotrebe­nie povrchu spojené s niekoľkými mechanizmami opotrebenia, transfor­mujúcimi sa počas procesu trenia jeden na druhý a niekedy dokonca sa vyskytujúcimi súčasne.

Parametre tribosystému s povlakom ovplyvňujúce tribologickú účinnosť sú na obr. 3.

S cieľom pochopiť správanie sa (opotrebovanie) povlakov, Holmberg a kol. [4, 5] sumarizovali kontaktné mechanizmy tribologických povlako­vaných systémov z hľadiska rôznych úrovní – makromechanickej, mik­romechanickej, nanomechanickej, tribochemickej a z hľadiska prenosu materiálu.

Typické kontaktné podmienky v tribologických aplikáciách povlakova­ných povrchov sú zobrazené na obr. 4.

Bowden a Tabor [6] poukázali, že depozíciou tenkého mäkkého povlaku na tvrdom substráte možno získať nízky koeficient trenia (obr. 5). Podľa ich názoru, trecie sily medzi nemazanými povrchmi vznikajú na základe dvoch hlavných javov. Jedným z nich je adhézia, ktorá sa vyskytuje v ob­lastiach skutočného kontaktu. Vzniknuté zvary za studena alebo spoje musia byť ušmyknuté, ak má nastať posuv. Druhým faktorom je defor­mácia vznikajúca zo zatlačenia, ryhovania alebo popraskanie jedného po­vrchu nerovnosťami na povrchu druhom (kontaktujúcom).

Trecia sila teda môže byť vyjadrená ako: F = F_adhézna + F_deformačná

ŠTRUKTÚRY POVLAKOV PRECHÁDZAJÚ ZMENOU

V posledných rokoch vedci venujú veľkú pozornosť vývoju tvrdých i mäk­kých tribologických povlakov s rôznou úrovňou „inteligencie“:

1. Samomazné schopnosti (self-lubricating ability) sa dosahujú povlak­mi obsahujúcimi mazivo, ktoré sa postupným opotrebením povlaku uvoľňuje. Opotrebenie je v podstate nevyhnutné, aby došlo k vylúče­niu maziva z povrchu povlaku.

2. Samoochrané povrchy (self-protecting surfaces) sú realizované pros­tredníctvom bariérového filmu proti opotrebeniu, ktorý je vytváraný počas bežnej prevádzky.

3. „Samoliečiteľné“ (samoopraviteľné) povrchy (self-healing surfaces) by mali byť schopné opraviť poškodenie povrchu počas funkčnej pre­vádzky.

4. Tribopovlaky s integrovanými senzorickými funkciami (tribosurfa­ces with integrated sensoric capability), napr. teplota, tlak, napätie, atď., ktoré umožňujú sledovanie ich opotrebenia, vďaka čomu je mož­né predpovedať koniec spoľahlivej prevádzky a zabrániť katastrofálne­mu zlyhaniu.

Po niekoľkých desaťročiach vývoja štruktúry tribologických povlakov prechádzajú obrovskou zmenou – od jednoduchých jednovrstvových, k multivrstvovým, ku gradientným a pokročilým adaptívnym povlakom – obr. 6. Donnet a Erdemir [7] zhodnotili vývoj a nové trendy tzn. tribolo­gických povlakov a povlakov s funkciou tuhých mazív a klasifikovali vývoj štruktúry povlakov do štyroch generácií: jednozložkové (jednokompo­nentné) povlaky; viacvrstvové a viaczložkové (viackomponentné, multi­komponentné) povlaky; gradientné, supermriežkové a nanoštruktúrova­né povlaky; smart (adaptívne alebo „chameleónske“) povlaky. Kombinácia niekoľkých štruktúr a kompozícií v rámci jedného povlaku zabezpečí do­siahnutie rôznych individuálnych fyzikálnych vlastností (napr. difúzna bariéra + nízke trenie), zníženie nesúladu mechanických a chemických vlastností medzi substrátom a povlakom (predovšetkým zvýšenie adhé­zie), kontrolu zvyškového pnutia v povlaku, schopnosť zastaviť šírenie trhliny počas prevádzky v náročných podmienkach, adaptabilitu so zme­nou prevádzkových podmienok a zvýšenie tvrdosti a/alebo húževnatosti.

Jednokomponentné tenké vrstvy – ide o najjednoduchšie povlaky, ktoré prevládajú na trhu a sú stále obľúbené pri technických aplikáciách. Napr. najrozšírenejšie komerčné PVD a CVD povlaky sú tvorené jednou vrstvou (TiC, TiN, CrN, Al2O3, TiAlN, TiCN, DLC, W2C, MoS2, diamant, mäk­ké kovy alebo polyméry). V niektorých prípadoch na zvýšenie adhézie so substrátmi sa používa adhézna medzivrstva. Treba však zdôrazniť, že pre niektoré špecifické aplikácie, kde je potrebné zabezpečiť vysokú odolnosť proti opotrebeniu a zároveň nízke trenie, jednokomponentné povlaky nemôžu zabezpečiť túto požiadavku. V tomto prípade je vhodné použiť povlaky so zložitejšou štruktúrou.

Viackomponentné tenké vrstvy – sú to povlaky pozostávajúce z dvoch, respektíve viacerých zložiek vo forme zŕn, častíc alebo vlákien. Tieto zlož­ky zabezpečujú zlepšenie tribologických vlastností, ako sú napríklad tvr­dosť pri vysokej teplote, odolnosť proti oxidácii, odolnosť proti nárazu a iné. Tieto povlaky (zmiešané keramiky) sú vhodné na aplikáciu napr. pri prerušovanom rezaní [5].

Viacvrstvové tenké vrstvy – rozlišujeme dva typy, sendvičové vrstvy (nie­koľko vrstiev rôzneho zloženia) a štruktúry lamiel dvoch, prípadne viace­rých materiálov periodicky sa opakujúcich.

V sendvičovej konštrukcii môžu medzivrstvy znížiť nesúlad mechanic­kých alebo chemických vlastností medzi povlakom a podkladom a zlep­šiť priľnavosť povlaku.

V periodicky sa opakujúcich štruktúrach striedajúce vrstvy môžu pôso­biť ako zábrana proti trhlinám. K zastaveniu trhliny dôjde buď na hrani­ci vrstiev alebo výskytom húževnatého média, prostredníctvom ktorého je šírenie trhliny zbrzdené.

Nanoštruktúrované povlaky zahrňujú nanokryštalické filmy (s veľkos­ťou zŕn v nanometroch) a nanokompozitné filmy, vrátane štruktúr, kto­ré kombinujú amorfné fázy s kryštalickými. Známy Hall-Petchov vzťah; vyjadrujúci poznatok, že medza sklzu, tvrdosť a húževnatosť polykryšta­lických materiálov sa všeobecne zvyšuje so zmenšujúcou sa veľkosťou zr­na, je vhodný aj pre nanoštruktúrne povlaky. Jeong et al. (2001) skúmali vplyv veľkosti zrna (od 90 μm až do 13 nm) v nanokryštalických niklových povlakoch vylúčených elektrolyticky na tvrdosť povlaku a odolnosť proti opotrebeniu, a zistili, že zvýšenie tvrdosti a odolnosti proti opotrebeniu nastáva s poklesom veľkosti zrna.

Gradientné tenké vrstvy – ide o viacvrstvové povlaky. Myšlienka gra­dientného povlaku vznikla ako dôsledok logického vývoja viacvrstvovej koncepcie pre modifikovanie mikroštruktúry povlakov. Výrazná zme­na mechanických, fyzikálnych a chemických vlastností medzi vrstvami a substrátom môže vyvolať vysoké zvyškové napätia na rozhraní, potom tvorbu trhlín a následne odtrhnutie povlaku. Z tohto dôvodu vznikla sna­ha realizovať gradientný prechod zo substrátu do rôznych vrstiev.

Superštruktúrované povlaky – ide o periodicky sa opakujúce viacvrstvové povlaky, kde hrúbka vrstiev sa pohybuje od 5 do 50 nm. Rôzne výskumy potvrdili, že supermriežkové povlaky, najmä supermriežkové povlaky za­ložené na TiN (napr. TiN/WN, TiN/CrN, TiN/TaN, TiN/MoN a TiN/ AlN), môžu zvýšiť tvrdosť, húževnatosť a tepelnú stabilitu v porovnaní s jednovrstvovými povlakmi. Supermriežkové povlaky vykazujú nižší ko­eficient trenia a oveľa vyššiu odolnosť proti opotrebeniu než komerčný tvrdý povlak TiN.

Adaptívne (tzn. „chameleónske“) povlaky – ide o povlaky, ktoré sa doká­žu prispôsobiť prevádzkovým podmienkam a taktiež vedia zmeniť svoje vlastnosti. Medzi prvé takéto povlaky patrili kompozity tuhých mazív z oxidov a dichalkogenidovm, napr. PbO/MoS2, ZnO/MoS2, ZnO/WS2, ktoré môžu pracovať v širokom rozsahu teplôt. Dichalkogenidy môžu pracovať do teploty pod 500 °C, oxidy majú lepšie mazacie schopnosti pri vysokých teplotách 500 – 800 °C. Voevodin a Żabiński (2000) vyvi­nuli nové samoadaptívne povlaky, ktoré kombinujú nanokryštalické kar­bidy (TiC, WC), dichalkogenidy (MoS2, WS2) a amorfný DLC bez vodí­ka do nanokompozitných štruktúr. Povlaky majú vysokú tvrdosť medzi 27 až 32 GPa, sú odolné proti opotrebovaniu. TiC/DLC a WC/DLC na­nokompozity môžu poskytnúť samoreguláciu „povrchových“ mechanic­kých vlastností od tvrdého po tvárny povrch. Povrchová chémia, štruktú­ra a mechanické vlastnosti týchto nanokompozitných povlakov sa môžu meniť v závislosti na aplikovanom zaťažení a prevádzkovom prostredí a udržať vynikajúcu tribologickú výkonnosť.

NOVÉ MOŽNOSTI VĎAKA NANOTECHNOLÓGIÁM

Nanomultivrstvové povlaky sú potencionálnou náhradou za mnohé tvrdé povlaky, ako napr. žiarovo striekané povlaky a monolitné povlaky vďaka ich vysokej tvrdosti a zvýšenej odolnosti proti opotrebeniu. Tieto multivrstvo­vé povlaky, zvlášť nanoštruktúrované, sú vhodné pre podmienky, kde je po­žadovaná vysoká tvrdosť a odolnosť proti korózii pri vysokých teplotách.

Nanovrstvy alebo supermriežkové štruktúry (superlattice structures) pred­stavujú potenciál pre spevnenie materiálu formou „rozhrania“ poskytnu­tím prekážok pre pohyb dislokácií. Multivrstvové povlaky vykazujú lepšie správanie sa ako povlaky na báze uhlíka a DLC vzhľadom na prítomnosť tvárnejších kovov ako chróm, wolfrám a dobrú adhéziu k substrátu. Via­ceré práce ukázali, že povlakované materiály so supermriežkou mali lepšiu odolnosť proti korózii ako nepovlakované materiály pri výraznom zlepšení tribologickej účinnosti v porovnaní s monolitnými povlakmi.

Pri výbere metód na zvýšenie životnosti tvárniacich nástrojov pracujú­cich v podmienkach za studena sa vychádza z podmienok, v ktorých pra­cujú tieto lisovacie nástroje a z prevládajúceho mechanizmu opotrebe­nia – obr. 7:

1. Ak je životnosť ovplyvnená opotrebením pracovnej plochy, využívajú sa metódy, ktoré zvyšujú tvrdosť.

2. Ak nastáva lom nástrojov, je vhodné zlepšiť materiálové vlastnosti a prípadne konštrukciu nástroja.

3. V prípade nalepovania materiálu na nástroj je vhodné použiť vhodné mazadlo.

4. Ďalšou možnosťou je rozložiť tvárniace operácie na viac krokov s menším kontaktným napätím.

Aplikácia tenkých tvrdých povlakov odolných proti opotrebeniu expan­duje do rôznych odvetví priemyslu na zabezpečenie ochrany nástrojov a ďalších komponentov proti poškodeniu v dôsledku opotrebenia a ko­rózie. V oblasti lisovacích nástrojov, pracujúcich v podmienkach za stu­dena, je však stále skôr výnimkou ako pravidlom nájsť povlakované tvár­niace nástroje. V tribosystéme je potrebné akceptovať nielen mechanické vlastnosti tvárneného materiálu, ale aj jeho povrchové úpravy. V súčas­nosti vystupujú do popredia aj tzv. tribologické laky (filmy), ktoré opti­malizujú trecie podmienky (zabraňujú nalepovaniu materiálu na nástroj). Aplikácie tenkých tvrdých povlakov môže zlepšiť kvalitu výliskov, znížiť opotrebenie a problémy nalepovania a umožniť odstránenie dlhodobých a nákladných výrobných prestojov vznikajúcich v dôsledku poškodenia nástrojov [9], [10], [11], [12]. •

Príspevok bol vypracovaný v rámci projektu VEGA – Grant No. 1/0264/11.

LITERATÚRA

[1] BHUSHAN, B.: Modern tribology handbook, CRC Press, London, New York, Washington D C, 2001.

[2] FARROW, M.: Selecting wear resistance surfaces, in: International Conference on Metallurgical coatings (ICMC 86), San Diego, USA, 1986.

[3] LUO, D. B.; FRIDRICI, V.; KAPSA, Ph.: A systematic approach for the selection of tribological coatings. Wear, 2011, 271(9 – 10): 2132 – 2143.

[4] HOLMBERG, K.; MATTHEWS, A.: Coatings Tribology – Properties, Techniques and Applications in Surface Engineering (Elsevier Tribology Series, Vol. 28). Elsevier Science B.V., The Netherlands, 1994, 442 pp.

[5] HOLMBERG, K.; RONKAINEN, H.; MATTHEWS, A.:Tribology of thin coatings, Ceramics International 26 (2000) 787 – 795.

[6] BOWDEN, F. P.; TABOR, B.: The friction and lubrication of solids, Clarendon Press, Oxford, 1950

[7] DONNET, C.; ERDEMIR, A.: Historical developments and new trends in tribological and solid lubricant coatings, Surface and Coatings Technology 180 – 181 (2004) 76 – 84.

[8] HOGMARK, S.; JACOBSON, S.; MATS, L.: Design and evaluation of tribological coatings, Wear 246 (2000) 20 – 33.

[9] ZDRAVECKÁ, E.; LEŠKO, R.; FECSU, Š.; ONDÁČ, M.; TKÁČOVÁ, J.: Možnosti zvyšovania životnosti nástrojov pre tvárnenie za studena. In: Kovárenství. No. 38 (2010), pp. 101 – 104. ISSN 1213-9289.

[10] ZDRAVECKÁ, E.; TKÁČOVÁ, J.; KELEMEN, M.; VOJTKO, M.: Improved tool wear properties in sheet metal forming. In: NanoTech Conference. Portugal-Alvor: 2012 p. 72.

[11] SPIŠÁK, E.; HUDÁK, J.; TKÁČOVÁ, J.; TKÁČ, J.: Pozinkované plechy v automobilovom priemysle a ich hodnotenie. 2012. In: Transfer inovácií. Č. 22 (2012), pp. 3 – 9. ISSN 1337-7094.

[12] ZDRAVECKÁ, E.; TKÁČOVÁ, J.: Application of PVD coatings on stamping dies. In: Nanotechnológie a tribológia: odborný seminár: 2013, Košice, TU, 2014, pp. 36 – 44. ISBN 978-80-553-1635-2.

TEXT/FOTO PROF. ING. EVA ZDRAVECKÁ, CSC., ING. JANA TKÁČOVÁ, PHD.; STROJNÍCKA FAKULTA, TU V KOŠICIACH, ING. JÁN TKÁČ, PHD. FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY, TU V KOŠICIACH