TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
God made solids, but surfaces were made by the devil
W. Pauli
V industriálnej spoločnosti sú z dôvodov predĺženia životnosti umelých
aj biologických systémov, zvýšenia účinnosti, úspory materiálov a
energie a zvýšenia bezpečnosti zreteľné neustále rastúce požiadavky
na kontrolu a ovládanie procesov trenia a opotrebenia.
Využitie povrchových úprav, vrstiev a povlakov umožňuje dosiahnutie
požadovaných tribologických parametrov konštrukčných prvkov a
systémov.
Vznik technickej oblasti s uplatnením úmyselne nanášaných tenkých
povlakov na základný materiál umožňuje modifikovanie trenia a
opotrebenia.
1
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
Prečo tribológia tenkých povlakov ?
Inžinierska prax objavila a uznala skutočnosť, že práve povrch je
najdôležitejšou časťou tých technických prvkov a systémov, ktoré majú
zabezpečovať tribotechnické funkcie.
Využívanie povrchových úprav, vrstiev a povlakov umožňuje vývoj
nových technicko-technologických konštrukcií, pri ktorých sú
požadované vlastnosti kontaktujúcej sa dvojice modifikované na
konkrétnom mieste a v presne vymedzenom množstve a kvalite.
Vývoj nových druhov povlakov a spôsobov ich nanášania, ktoré
výrazne modifikujú režim trenia a opotrebovania.
2
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
Povlakom alebo vrstvou rozumieme každú látku, ktorá vznikne alebo sa
nanesie na povrch základného materiálu.
Povlak určujeme:
typom a zložením materiálu,
jeho vlastnosťami a hrúbkou,
dôležité je rešpektovať aj spôsob prípravy a súdržnosť so základným
materiálom.
Povlaky môžu vznikať aj samovoľne, ako výsledok napr. vonkajšieho
pôsobenia. Sú to prevažne degradačné procesy.
3
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
Povlaky a vrstvy je možné rozdeliť podľa niekoľkých kritérií:
Rozdelenie podľa hrúbky:
tenké - majú hrúbku spravidla v mikrometroch, ale sú aj povlaky tenšie
s hrúbkou v nanometroch (nano-povlaky)
hrubé - ich hrúbka je udávaná v desatinách milimetra až v milimetroch.
Rozdelenie podľa homogenity:
homogénne - sú tvorené iba látkou jedného typu rovnakého alebo málo
premenlivého zloženia
heterogénne - sú zložené z dvoch alebo viac fáz rôzneho zloženia a
vlastností.
Ak sú rôzne fázy alebo premenlivé zloženia jednej fázy usporiadané vo
vrstvách, je to povlak viacvrstvový.
4
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
Povlaky podľa tvrdosti
Tvrdé povlaky
sú v prevažnej miere tvorené karbidmi, nitridmi, boridmi a oxidmi.
Osobitné postavenie majú diamantové povlaky, diamantu podobné
povlaky (DLC) a karbonové povlaky.
Medzi tvrdé povlaky počítame aj viacnásobné a viackomponentné
povlaky nanášané prevažne metódami fyzikálneho naparovania (PVD).
Mäkký povlak je taký, ktorého tvrdosť a tvrdosť materiálu, z ktorého je
vytvorený, je zámerne výrazne nižšia, ako tvrdosť použitého substrátu.
5
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
Povlaky podľa tvrdosti
Mäkké povlaky môžeme rozdeliť do troch kategórií a to:
povlaky pozostávajúce z polymérov (PTFE, elastomery),
povlaky z lamelárnych látok (MoS2, grafit, WS2)
povlaky z mäkkých kovov (olovo, striebro, indium, zlato, meď,
kadmium, nikel, cín) a ich zliatin.
Pre každú z týchto kategórií je charakteristický iný mechanizmus trenia.
6
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
Povlaky a vrstvy je možné rozdeliť podľa niekoľkých kritérií:
Rozdelenie podľa účelu použitia:
- povlaky s malým alebo veľkým súčiniteľom trenia
- povlaky s odolnosťou voči opotrebeniu - karbidy a nitridy kovov a
keramické materiály.
- povlaky s odolnosťou voči korózii - povlaky z čistých kovov (Zn, Sn,
Al) alebo ich zliatin alebo ich zlúčenín (zlepšujú odolnosť voči
oxidácii)
- povlaky s vysokou odrazivosťou alebo pohltivosťou svetelného
žiarenia
-povlaky s definovanými elektrickými, magnetickými alebo inými
fyzikálnymi vlastnosťami
7
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
Všeobecné konštrukčné požiadavky na kontaktné dvojice
s povrstvenými povrchmi z tribologického hľadiska :
súčiniteľ trenia nesmie v žiadnej z jeho fáz (počiatočnej,
prevádzkovej, záverečnej), prekročiť hodnoty
požadované projektom,
musí byť zaručená stabilita trecieho procesu,
opotrebenie dvojice nesmie prekročiť hodnoty
požadované projektom,
doba technického života tribotechnického systému musí
byť pri definovanej pravdepodobnostnej spoľahlivosti
dlhšia ako doba životnosti zariadenia.
8
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
Definície a stručný prehľad
Pod pojmom tenké tribologické povlaky budeme chápať
povlaky, účelovo nanesené na pevný základný materiál,
ktorý si zachováva jeho vplyv a podiel na determinácii
úrovne trenia a opotrebovania.
Rozmerovo sú tenké povlaky z tribologického hľadiska
charakterizované hodnotami ich hrúbky v rozsahu od 0,1
do 3 μm.
Z konštrukčného hľadiska je povrstvený prvok
tribologického systému navrhnutý tak, aby základný
materiál spĺňal tvarové a pevnostné požiadavky a povlak
na ňom nanesený zabezpečoval žiadanú tribologickú
funkciu.
9
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
Definície a stručný prehľad
Na splnenie tribologických požiadaviek povrstvený povrch
musí mať vyhovujúce kombinácie vlastností napr. tvrdosť,
pružnosť, pevnosť v šmyku, lomovú pevnosť, tepelnú
vodivosť a rozmerovú stálosť, priľnavosť a iné.
Tribologické vlastnosti a správanie sa nanesených
povlakov v prevádzke sú ovplyvňované najmä:
I.
použitými materiálmi, kde sú dôležité ich fyzikálne a
chemické vlastnosti a vzájomné pôsobenie medzi
substrátom a povlakom,
kontaktnými podmienkami, včítane zaťaženia, rýchlosti,
geometrie, teploty,
10
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
Tribologické vlastnosti a správanie sa nanesených
povlakov v prevádzke sú ovplyvňované najmä:
II.
kontaktnou mikroštruktúrou, sem patria: veľkosť zŕn,
hustota, pórovitosť, ktoré závisia od druhu použitého
spôsobu nanášania povlaku,
viaczložkovým systémom povlak /substrát, kde sú
významné parametre
hrúbka a drsnosť povlaku,
topografia povrchu substrátu,
tvrdosť povlaku a substrátu,
mechanické vlastnosti, najmä pružnosť, teplotná a
chemická znášanlivosť a kompatibilita, schopnosť a
veľkosť adhézie povlaku na substráte.
11
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
Cieľavedomé nanášanie povrchových povlakov možno
uskutočniť:
Metódami chemického naparovania,
PROCESMI V PLYNNOM fyzikálneho naparovania, pomocou
plazmy, pomocou ionového lúča,
STAVE
ionovou implantáciou
PROCESMI V TEKUTOM
STAVE
Metódami chemického vyzrážania,
redukciou, konverziou,
elektrochemickým vyzrážaním,
tekutými gélmi
PROCESMI
V ROZTAVENOM ALEBO
V POLOROZTAVENOM
STAVE
Pomocou laseru, plazmou,
žiarovým striekaním,
zváraním a naváraním
PROCESMI V TUHOM
STAVE
Plátovaním, nitovaním, lepením
a pod.
12
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
VÝSTUPY:
VSTUPY :
MATERIÁLOVÉ
Tvar
Makrogeometria
Mikrogeometria
Topografia
Fyzikálne vlastnosti
Chemické zloženie
Mikroštruktúra
Pevnosť
Pružnosť
ENERGETICKÉ
Zaťaženie
Rýchlosť
Tangenciálne sily
Výkon
Teplo
INFORMAČNÉ
Vizuálne
Zvukové
4
1
2
TRIBOLOGICKÝ
SYSTÉM
ŠTRUKTÚRA
PRVKY
VLASTNOSTI PRVKOV
INTERAKCIE PRVKOV
MATERIÁLOVÉ
Tvar
Makrogeometria
Mikrogeometria
Topografia
Fyzikálne vlastnosti
Chemické zloženie
Mikroštruktúra
Pevnosť
Pružnosť
ENERGETICKÉ
Zaťaženie
Rýchlosť
Trecie sily
Výkon
Teplo
INFORMAČNÉ
Vizuálne
Zvukové
13
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
p
Ft, i
r
Model silového pôsobenia v
kontakte
a vzťah pre výpočet
súčiniteľa trenia
τr
Wi
Apl,t i
τr
Θ
p
Ar, i
r
n
Ft
μ =
=
W
∑ Ft , i
i=1
n
∑ Wi
i=1
=
∑ ( p r × A pl ,ti + τ r × Ar ,i )
∑ ( p r × Ar ,i − τ r × A pl ,ti )
14
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
2R
⎡ 3W R re d , i
Ar , i = π ⎢
⎢⎣ 4 E re d
⎤
⎥
⎥⎦
2/3
W
2a
μdef =
h
2 R 1h − h 2
π
Model kontaktu podľa Hertza
μad =
τ s Ae l
W
πτ s
⎡ 3 R re d
=
⎢
1
/
3
⎢⎣ 4 E re d
W
⎤
⎥
⎥⎦
2/3
15
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
Model kontaktu telies
s tenkým mäkkým
povlakom
pe ,v × Ap l
μ =
+
( p e , v + p s ) × Ar
l ⎞
⎛⎜ τ
⎟
A
A
τ
×
+
×
r
v,s
r⎠
⎝ a, s
+
( pe , v + p s ) × Ar
p
Apl
F
e,v
W
p=p + p
r e,v
s
τa,s
Ar
Ar
τv,s
16
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
Model kontaktu telies s tenkým mäkkým povlakom
Ar
ArI
Apl
τ a, s
τ v, s
p e, v
ps
plocha pružne deformovaného kontaktu v oblasti
základného materiálu
v m2,
plocha pružne deformovaného kontaktu v oblasti
materiálu povlaku
v m2,
plocha plasticky deformovaného kontaktu v oblasti
materiálu povlaku
v m2,
pevnosť adhéznych spojení v namáhaní na šmyk
určená experimentálne
v Pa,
stredná pevnosť materiálu naneseného povlaku v
namáhaní na šmyk
v Pa
medza pružnosti v tlaku materiálu naneseného
povlaku
v Pa
kvázihydrostatický tlak
v Pa.
17
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
Hlavne spôsoby prípravy kovových a keramických povlakov
Metóda
Spôsob
Materiály
PVD
naparovanie
naprašovanie iónové
plátovanie
kovy a zliatiny
zlúčeniny zlúčeniny
CVD
rôzny zdroj prípravy
pár
zlúčeniny
Elektrolytické
vylučovanie
Katodické anodické
oxidácia
kovy a zliatiny
Al, Ta
Chemické vylučovanie bezprúdové
precipitačné
chromátovanie
fosfátovanie
kovy a zliatiny
Cu, Ni, Cr
ocele
18
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
Hlavne spôsoby prípravy kovových a keramických povlakov
Metóda
Spôsob
Materiály
Nastriekavanie
plameňom
oblúkom
plazmou
výbuchom
Zn, Al a zliatiny kovy a
zliatiny
zlúčeniny
cermety
Navarovanie
plameňom, oblúkom
pod struskou, plazmou,
laserom
ocele a zliatiny kovov
Plátovanie
nalievaním
valcovaním
výbuchom
kovy a zliatiny
Al Cu, Ni a zliatiny ocele
Mo, Ti, Ta
Nanášanie z tavenín
ponorením,
nastriekaním
kovy a zliatiny s nižším
bodom tavenia
19
TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV
Vybrane fyzikálne vlastnosti materiálov pre povlaky
Vlastnosť
Al2O3
ZrO2
W
Oceľ
Modul pružnosti
(GPa)
390 – 130
210 – 70
390 – 130
210
Poissonove číslo
0,230
0,250
0,290
0,3
Koeficient
rozťažnosti (10-6K-1)
8
10
4,3
12
Hustota (g.cm-3)
3,3 – 3
6 - 5,2
19,3 - 17,3 7,8
Teplota tavenia (°C)
2015
2680
3387
1350
Tepelná rozťažnosť
(Wm-1K-1)
15 – 7
2 - 0,5
170 – 160
50
20
Download

TRIBOLÓGIA TENKÝCH TUHÝCH VRSTIEV, FILMOV A POVLAKOV