ZMĚNA TEXTURY POVRCHU POVLAKŮ NA NÁSTROJICH PO LEŠTĚNÍ MODIFICATION OF THE TEXTURE SURFACE COATINGS ON TOOLS AFTER POLISHING

Svoboda Emil1, Sondor Jozef2, Klanica Ondřej1, Bartošík Pavel1, Hrubý Vojtěch1

1 Katedra strojírenství, Fakulta vojenských technologií, Univerzita obrany v Brně, emil.svoboda@unob.cz; david.kusmic@unob.cz; vojtech.hruby@unob.cz; ondrej.klanica@unob.cz

2 LISS, a.s. Dopravní 2603 CZ-756 61 Rožnov p. R. j.sondor@liss.cz 
 

Abstrakt

In the paper shows the results of surface texture changes after polishing coatings on tools. The results of the measurement of surface texture of different coatings on tools before and after polishing shows 3D profilometer Talysurf CCI Lite. Are assessed, the influences of polishing on the surface texture parameters of 2D and 3D surface profile. Are analyzed three types of coatings on three different instruments and to rank are used as the standard parameters of surface roughness and material parameters of the profile and the inclination of the surface. The results demonstrate the improvement of the characteristics of the surface. 

ÚVOD
Textura povrchu má rozhodující vliv na vlastnosti a chování součástí v provozu (např. na průběh opotřebení, únavové vlastnosti, pevnost spojení, kinematické a dynamické vazby povrchů, apod.). V případě vytváření povlaků na nástrojích lze jejich vlastnosti zlepšit leštěním naneseného povlaku. Textura povrchu spolu s vlastnostmi povrchové vrstvy jsou u nástrojů rozhodujícími faktory pro jejich trvanlivost a životnost.

EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
Povlaky a jejich úprava - experimenty byly prováděny na třech nástrojích z nástrojové oceli. Na vrtácích byly naneseny povlaky podle tabulky 1.
Povlaky byly naneseny metodou PVD na zařízení Platit Pi80, Pl1000 pomocí katodového obloukového napařování Podmínky depozice povlaků jsou uvedeny v tabulce 2.




Po povlakování byla jedna část povlaku na nástrojích ponechána bez úprav a druhá část povlaku byla následně lapována pomocí speciálního media Multi - Cone. Medium tvoří elastické částice s abrazivem, které se při dopadu na lapovaný povrch deformují a kloužou po povrchu. Je to dokončovací operace, která se provádí v nutných případech po povlakování k snížení drsnosti a tím zlepšení vlastností PVD vrstev (zejména tvorba studených spojů pří stříhání).

Měření drsnosti povrchu – měření probíhalo na neleštěné a leštěné části povlaku na nástrojích na třech místech 3D profilometrem Talysurf CCI Lite s objektivem se zvětšení 20x. Základní parametry měření struktury povrchu jsou uvedeny v tabulce 3.



Vyhodnocení textury povrchu měřených ploch bylo provedeno programem Talymap Platinum podle standardní metodiky s těmito postupnými kroky:
– 3D plocha – Vyrovnání plochy => Odstranění tvaru => Filtrace základní plochy na plochu vlnitosti a drsnosti => Zobrazení ploch drsnosti a vlnitosti => Výpočet parametrů 3D plochy.
– 2D profil – Výběr profilu z naměřené plochy => Vyrovnání profilu => Odstranění tvaru => Filtrace mezi nefiltrovaným profilem a vlnitostí a drsností => Zobrazení profilů – drsnosti a vlnitosti => Výpočet parametrů 2D profilu.
 
Změny textury povrchu byly hodnoceny pomocí těchto parametrů:
3D plochy:
– Sa – průměrná aritmetická úchylka základní plochy [μm];
– St – celková výška úchylky plochy [μm];
– Sdq – efektivní sklon základní plochy [-];
– Spk – redukovaná výška výstupků základní plochy [μm].
 
2D profilu:
– Ra – průměrná aritmetická úchylka profilu drsnosti [μm];
– Rt – celková výška profilu drsnosti [μm];
– Rdq – průměrný kvadratický sklon profilu drsnosti [°];
– Rpk – redukovaná výška výstupků profilu drsnosti [μm]. 

Drsnost povrchu
Výsledky měření drsnosti povrchu neleštěných a leštění povlaků pro základní parametry jsou uvedeny v tabulce 4.

Parametry Ra a Rt dosahují u leštěných povlaků nižších hodnot než u povlaků neleštěných. Největší pokles drsnosti povrchu nástrojů o 45% až 80% byl dosažen u nástrojů povlakovaných povlaky TiAlN a nACo na obvodových plochách nástrojů. U nástroje s povlakem TiN byla drsnost povrchu snížena o 10%. Na čelních plochách bylo dosaženo snížení drsnosti povrchu o cca 37%. Větší snížení drsnosti povrchu na obvodových plochách nástrojů souvisí s vhodnější polohou obvodových ploch nástroje vzhledem k leštícímu nástroji.


 
Na obr. 1 jsou dokumentovány profily drsnosti povrch povlaku bez leštění a po leštění.



Obr. 1 2D profily tvářecího trnu s povlakem nACo – obvod nástroje

Pro funkční vlastnosti spojené s třením a opotřebením, vibracemi a odolností proti zátěži je významným parametrem úhel sklonu nerovností. Průměrný kvadratický sklon nerovností je vhodný pro jemné povrchy a je více citlivý na náhodné změny místního sklonu nerovností na povrchu. Výsledky naměřených úhlů sklonu hodnocených povlaků bez leštění a po leštění jsou uvedeny v tabulce 5.

Hodnoty parametrů Rdq (průměrný kvadratický sklon profilu drsnosti) jsou u všech leštěných povlaků menší než u povlaků neleštěných. Pokles sklonu nerovností je rozdílný; u povlaku TiN na nástroji došlo k poklesu o 29% na čelní ploše a o 9% na obvodu nástroje. U nástrojů s TiAlN a nACo povlaky je pokles úhlů sklonu nerovností výraznější a pohybuje se v rozmezí od 40% do 60%.

Tento pokles úhlů sklonu nerovností je významný parametr, protože menší sklon úhlů nerovností je spojen s menším třením na povrchu nástroje, menším opotřebením funkčních ploch, větší odolnost povrchu při jeho zátěži a nižší přilnavost. Současně se menší úhly projevují snížením vibrací při funkci.




Dalšími parametry, které mají vliv na funkční vlastnosti povrchů, jsou parametry materiálového poměru. Jedním z parametrů je parametr Rpk, což je redukovaná výška výstupků profilu drsnosti povrchu. Ta u povrchů ovlivňuje záběhové vlastnosti a má vliv na dosažení správného zatížení mezi funkčními povrchy.

Hodnoty parametrů Rpk dosahují u všech leštěných povlaků nižších hodnot než u povlaků neleštěných. Pokles výšek výstupků profilu byl leštěním snížen o 22% až 75%. Snížení redukovaných výšek profilu drsnosti po leštění přispěje ke snížení doby dosažení rovnoměrného zatížení nástroje, tzn., že se zkrátí doba zatížení povrchu pouze na vrcholcích nerovností a tak dojde k rychlejšímu poklesu měrného tlaku mezi nástrojem a součástí při technologickém procesu.


Obr. 2 3D topografie – tvářecí trn s povlakem nACo – obvod nástroje

Výsledky měření textury povrchu ploch neleštěných a leštěných povlaků uvedeny v tabulce 7. Parametry Sa a St dosahují u leštěných povlaků nižších hodnot než u povlaků neleštěných. Pokles textury povrchu ploch je však menší než u 2D parametrů. U nástroje s povlakem TiN je pokles hodnoty Sa leštěného povlaku pouze o 4% až 13%. Větší pokles byl zaznamenán po leštění povlaků TiAlN a nACo a to o 21% až 57%.



V případě textury povrchu ploch se po leštění povlaků nástrojů výrazně neprojevuje rozdíl mezi poklesem textury povrchu na obvodu nebo čele nástroje. Tento stav je způsoben hodnocením podstatně většího souboru dat v případě měření textury povrchu 3D systémem. 3D topografie povrchu obvodu tvářecího trnu s povlakem nACo po povlakování a po leštění je na obr. 2.

Stejně jako u 2D parametrů průměrný kvadratický sklon nerovností vyjadřuje stejné vlastnosti 3D parametr Sdq, což je efektivní sklon nerovností základní plochy. Výsledky efektivního sklonu hodnocených povlaků bez leštění a po leštění jsou uvedeny v tabulce 8.

Hodnoty parametrů Sdq (efektivní sklon nerovností měřené plochy) jsou u všech leštěných povlaků menší než u povlaků neleštěných. Pokles sklonu nerovností je však velmi rozdílný; u povlaku TiN na nástroji došlo k poklesu o 1,5% na obvodu nástroje. U nástrojů s povlaky TiAlN a nACo je pokles efektivního sklonu nerovností výraznější a pohybuje se v rozmezí od 20% do 51%.

Pokles hodnot efektivního sklonu nerovností na funkčních plochách nástrojů má stejný vliv jako v případě 2D parametru Rdq. Menší efektivní sklon nerovností na povrchu nástrojů po leštění povlaků má pozitivní vliv na tření, opotřebení, přilnavost, a snížení vibrací.



Dalším parametrem ze 3D měření textury povrchu plochy, který ovlivňuje funkční vlastnosti je redukovaná výška výstupků základní plochy Spk, jejichž hodnoty pro leštěné a neleštěné povlaky nástrojů jsou uvedeny v tabulce 9.



Hodnoty parametrů Spk dosahují stejně jako u 2D parametru Rpk u všech leštěných povlaků nižších hodnot než u povlaků neleštěných. Pokles výšek výstupků plochy byl leštěním snížen o 24% až 70%. Snížení redukovaných výšek po leštění má stejný efekt jako v případě parametru Rpk.

ZÁVĚRY
Výsledky uvedené v tomto příspěvku prokazují pozitivní vliv leštění na texturu povrchu povlaků na nástrojích.
U všech leštěných povlaků došlo ke snížení drsnosti povrchu hodnocené parametry Ra a Sa. Snížení drsnosti povrchu o 45% až 80% u nástrojů povlaky TiAlN a nACo na obvodových plochách nástrojů je výrazná změna. U nástroje s povlakem TiN byla drsnost povrchu snížena pouze o 10%. Menší snížení hodnot textury povrchu v případě 3D parametru Sa lze přisoudit většímu počtu měřených dat na povrchu, což značí, že se na povrchu vyskytují i další nerovnosti, které 2D měření nezaznamená. Pokles úhlů sklonu nerovností profilu drsnosti a efektivní sklon nerovností měřené plochy v rozmezí od 5% do 60% má významný vliv na funkční vlastnosti povlaků u nástrojů, protože menší hodnoty jsou spojeny s menším třením a tím i s menším opotřebením funkčních ploch nástrojů, s větší odolnost povrchu při jeho zátěži a menší přilnavostí.

Hodnocený způsob leštění povlakovaných nástrojů prokázal snížení základních parametrů textury povrchu a současně se potvrdilo i výrazné snížení parametrů textury povrchu, které mají vliv na funkční vlastnosti povrchů.

PODĚKOVÁNÍ
Příspěvek byl zpracován s podporou Záměru na rozvoj organizace, Katedry strojírenství UO „Podpora výuky a vědy v oblasti strojírenství“ a specifického výzkumu v roce 2013 Katedry strojírenství, FVT, Univerzity obrany v Brně.

LITERATURA
[1] ČSN EN ISO 4287 - Geometrické požadavky na výrobky (GPS) - Struktura povrchu: Profilová metoda – Termíny, definice a parametry struktury povrchu
[2] ČSN EN ISO 13565-2 - Geometrické požadavky na výrobky (GPS) - Struktura povrchu: Profilová metoda – Povrchy mající stratifikované vlastnosti – Část 2: Výškové charakteristiky využívající křivky lineárního materiálového poměru
[3] Manuál Talysurf CCI Lite

Obr. 1 2D profily tvářecího trnu s povlakem nACo – obvod nástroje


Obr. 1 2D profily tvářecího trnu s povlakem nACo – obvod nástroje


Obr. 2 3D topografie – tvářecí trn s povlakem nACo – obvod nástroje


Aktuálně News

12.9.2018
Pozvánka MSV 2018

12.9.2018
Konference Vrstvy a Povlaky…

Kontakt Contact

Dopravní 2603
Rožnov pod Radhoštěm
756 61

+420 571 116 237

LISS, akciová společnost LISS, a.s. LISS, Aktiengesellschaft

Akciová společnost LISS, patří do silné švýcarské skupiny B.C.I. group. Na středoevropském trhu nabízí svoje služby v oblasti high-tech PVD povlakování, galvanických vrstev, výroby vysoce precizních hodinářských komponentů, metalizace nevodivých materiálů, depozici optických vrstev a výroby precizních komponentů pro automobilový průmysl. LISS, a.s. působí na trhu již od roku 1991 a je zaměřena především na inovace, vlastní vývoj, zavádění nových technologií a postupů. Mimo technickou kompetentnost je samozřejmostí osobní přístup k řešení zákaznických požadavků. LISS, a.s. is part of the strong Swiss B.C.I. Group, On the Central European market it offers services in the field of high-tech PVD coating, electroplating coatings, production of high-precision watch components, metallization of non-conductive material, deposition of optical layers and manufacture of precision components for the automotive industry. LISS, a.s. has been established in the market since 1991 and is mainly focused on innovation, development, and introduction of new technologies and processes. Besides the high technical competence is personal approach to customer requirements our priority. LISS, Aktiengesellschaft gehört zu der starken schweizer Gruppe B.C.I. group. Auf dem Mitteleuropäischen Markt bietet sie Dienstleistungen auf dem Gebiet der High-Tech-PVD Beschichtung, Galvanikschichten, Produktion von hochpräzisen Uhrenkomponenten, Metallisierung von nicht leitenden Materialien, Abscheidung von optischen Schichten und Herstellung von präzisen Komponenten für die Automobilindustrie. LISS, Aktiengesellschaft ist etabliert auf dem Markt seit 1991 und basiert auf Innovation, Entwicklung, Einführung neuer Technologien und Prozesse. Neben der technischen Kompetenz ist natürlich persönlichen Ansatz zu Kundenanforderungen.




Máme Vám zavolat?