Témata
Reklama

Měření vlastností povlaků na nástrojích

V současnosti se používání otěruvzdorných vrstev pro řezné, tvářecí a jiné nástroje stává samozřejmostí. Pro moderní metody obrábění a tváření jsou PVD vrstvy nezbytným předpokladem úspěšného nasazení nástroje.

V dnešní době je nabízeno široké spektrum PVD vrstev, které se s vývojem nových technologií a požadavků trhu neustále rozšiřuje. Použití a způsob opotřebení nástroje zásadním způsobem ovlivňují volbu povlaku s ohledem na jeho fyzikální a chemické vlastnosti. Dobře použitá PVD vrstva výrazně zvyšuje užitné vlastnosti nástroje.
Mezi základní fyzikální vlastnosti vrstev patří tvrdost, tloušťka, drsnost, adheze a kluzné vlastnosti. Nejdůležitějšími chemickými vlastnostmi jsou odolnost vůči oxidaci, chemická a tepelná stabilita.
Reklama
Reklama

Tvrdost

Pro tenké vrstvy i ostatní materiály je tvrdost definována jako "odolnost proti pronikání cizích předmětů". Běžný způsob opotřebení nástrojů je dán abrazivním otěrem. Právě proto je vysoká tvrdost základním parametrem otěruvzdorných vrstev.
Běžná tloušťka PVD vrstev je pouze několik mikrometrů. Při měření tvrdosti je třeba zajistit, aby měřicí hrot (obvykle Vickers) proniknul maximálně do 1/10 tloušťky vrstvy. Velikost zátěže při měření tvrdosti vrstev se proto volí v řádu desítek mN. Hloubka vtisku při takové zátěži je pod 0,5 (m. Tím se zabezpečí, že měření tvrdosti vrstvy není ovlivněno vlastnostmi podkladového materiálu. Vzniklé stopy je velmi obtížné vyhodnocovat mikroskopem. Proto se využívají speciální přístroje - mikrotvrdoměry, které souběžně se zatěžováním hrotu měří hloubku jeho pronikání do vrstvy s přesností na jednotky nm.
Přístroje využívající jiné principy měření jsou zatíženy velkou chybou způsobenou rozdílem mezi maximální hloubkou vtisku a skutečně zjištěnou velikostí zbytkového vtisku. Tvrdosti vrstev se udávají v GPa nebo zastarale v kg/mm2. Jako příklad zařízení vhodného pro měření tvrdostí lze uvést přístroj Fischerscope H 100 VP. Mezi vrstvy, které jsou charakteristické vysokou tvrdostí, se řadí diamantové vrstvy, vrstvy s obsahem boru a nanokrystalické nanokompozity.

Tloušťka

Z hlediska praktické aplikace je volba tloušťky povlaku na břitech řezných nástrojů jednou z nejdůležitějších charakteristik. Ta může v  konečném důsledku ovlivňovat jak trvanlivost nástroje, tak i řezné síly během obrábění. Zjednodušeně řečeno - tloušťka povlaku musí být opravdu "ušita na míru" předpokládanému použití obráběcího nástroje. Např. optimální vrstva na závitnících se pohybuje kolem 1 až 2 µm a je výrazně nižší než u odvalovacích fréz, kde tloušťka vrstvy na břitu nástroje může být i 8 µm.
Tloušťka vrstvy na břitu nástroje se výrazně liší od tloušťky vrstvy na rovných nebo válcových plochách. Současně je ovlivňována průměrem nástroje a způsobem naložení povlakovací komory.
V současnosti neexistuje pro vyhodnocení přesná, jednoduchá a zároveň nedestruktivní metoda. Pro měření rovinných částí nástrojů se využívá tzv. kalotester. Princip měření je jednoduchý. Z průměru kuličky a mikroskopem změřených kulových vrchlíků je možné výpočtem stanovit tloušťku nanesené vrstvy. Toto měření je z důvodů vyšší přesnosti vhodné provádět na vyleštěných etalonech.
Pro stanovení tlouštěk na břitech se používá klasická metalografie založená na leštění vybrané části substrátu.

Drsnost

V případě nanášení PVD vrstev je výsledná drsnost ovlivněna jak kvalitou opracování nástroje, tak povlakem. Při měření drsnosti se neuvažují vady povrchu, tj. náhodné, ojediněle se vyskytující a nepravidelné nerovnosti (rysky, trhlinky, důlky apod.), které vznikají v důsledku vad materiálu, poškození aj.
Zdrojem zvýšené drsnosti vrstev jsou makročástice, které vznikají během technologického procesu povlakování. Drsnost povlaku zvyšuje řezné síly, a tak dochází k tepelnému a mechanickému namáhání břitů nástrojů. Tento negativní jev se většina výrobců vrstev snaží minimalizovat úpravou technologie povlakování, popř. dodatečnou úpravou nástrojů po povlakování.
Měření je vhodné provádět na vyleštěných substrátech s výchozí drsností Ra 0,01 - 0,02 µm běžným dílenským drsnoměrem. Existují i jiné metody vyhodnocování drsnosti povrchu, např. pomocí AFM (Atomic Force Microscopy).

Adheze

K maximálnímu využití potenciálu otěruvzdorné vrstvy dojde pouze v případě, kdy je perfektně zajištěna její adheze k nástroji. Bez dokonalé přípravy nástroje před povlakováním nelze připravit kvalitní povlak.
Standardní metodou pro vyhodnocování přilnavosti povlaků je tzv. scratch-test. Pro měření se využívá principu postupně se zvyšující zátěžné síly na diamantový Rockwellův hrot při současném posouvání špičky hrotu po měřené vrstvě. S ohledem na běžné hodnoty adheze se používá zátěžná síla v rozsahu 20 - 120 N.
Při měření vrstvy je možné detekovat akustickou emisi na hrotu. Dosažením kritické hodnoty zátěžné síly dojde k odtržení vrstvy od substrátu. To je doprovázeno skokovým zvýšením hodnoty akustické emise.
Další způsob vyhodnocení je pomocí mikroskopu. Na stopě vytvořené hrotem se odečte místo, kde došlo k odtržení vrstvy. Při lineární závislosti dráhy na zátěži lze pak snadno určit kritickou hodnotu zátěže.
Hodnota adheze větší než 60 N zajišťuje, že při běžných aplikacích nedojde ke stržení či odloupnutí vrstvy. Adheze povlaku závisí mimo jiné i na jeho celkové tloušťce a podkladovém materiálu.

Kluzné vlastnosti

Během obrábění dochází se stoupající teplotou ke zhoršování fyzikálně chemických vlastností podkladového materiálu. Snížením frikčních sil, vlivem povlaku, se výrazně omezuje tepelné zatížení nástroje.
Pro změření kluzných vlastností je používaným standardem v laboratoři tzv. pin-on-disk, resp. ball-on-disk. Testovaná vrstva je nanesena na zkušební vyleštěný vzorek a následně umístěna na otočný stolek. Hrot, resp. kulička definovanou silou tlačí na rotující vzorek s testovaným povlakem. Měří se otěr kuličky, frikční koeficient, otěr vrstvy, profil otěru apod. Při měření pin-on-diskem se používá zátěžné síly v řádu jednotek N, zatímco při řezných zkouškách jsou řezné síly o dva řády vyšší. Navíc teplota generovaná při běžných řezných podmínkách je o několik set stupňů vyšší než při testech pomocí pin-on-disku.
Z toho vyplývá, že měření frikčních vlastností je laboratorní metodou, která má k praktické využitelnosti poměrně daleko. Může však sloužit jako metoda k porovnání různých typů vrstev a pro získání představy o jejich kluzných vlastnostech.

Odolnost vůči oxidaci

K opotřebení vrstvy dochází i oxidací. Je důležité rozlišovat, zda se jedná o oxidaci hloubkovou nebo povrchovou. Při povrchové oxidaci dochází k pasivaci povrchu, čímž se může vytvářet bariéra proti další oxidaci. Při hloubkové oxidaci dochází obvykle k destrukci vrstvy. Ta je provázena poklesem tvrdosti vrstvy, neboť se vytváří jiné typy mřížových vazeb. Každá PVD vrstva je charakterizována maximální teplotou použití, jejíž mez je dána právě odolností proti oxidaci.
K měření odolnosti vůči oxidaci se ve většině případů používá gravimetrická metoda, při které se hodnotí změna hmotnosti vrstvy v závislosti na teplotě účinkem vzdušného kyslíku. Podmínkou ovšem je, že testovaný vzorek musí být celoplošně pokryt zkoumanou vrstvou.

Chemická stabilita

Popisuje odolnost vrstvy vůči chemické reakci s obráběným materiálem, zejména za vyšších teplot vznikajících během obrábění. Chemická stabilita vrstvy se může měnit s typem obráběného materiálu a s řeznými podmínkami. Klasickým případem je diamantová vrstva, jejíž chemická stabilita je naprosto nevyhovující při opracování ocelí a vynikající při obrábění neželezných materiálů.

Tepelná stabilita

Povlak se vytváří za intenzivního iontového bombardování a je termodynamicky nestabilní. Při zvýšení teploty vlivem obrábění může docházet ke změně vnitřní struktury, např. nárůstem krystalitů, přechodem k jinému krystalickému uspořádání, změnou vnitřního napětí apod. Tyto charakteristiky, které se navenek projevují změnou mechanických vlastností, se vyhodnocují spolehlivě pomocí TEM (transmisní elektronová mikroskopie) či XRD (rentgenová difrakce). Takové analýzy jsou náročné na přístrojové vybavení a je možné je provádět jen na specializovaných pracovištích. Nejvyšší tepelnou stabilitou mají v současnosti vrstvy na bázi CrAlN a nanokrystalické nanokompozity.
Výše popsané vlastnosti povlaků a jejich měření jsou z hlediska praktického používání povlakovaných nástrojů nejdůležitější. S jejich pomocí lze poměrně spolehlivě určit optimální řezné podmínky a naopak, pro danou řeznou aplikaci nastavit optimální vlastnosti povlaků.
V současnosti je nezbytné, aby firmy zabývající se přípravou a vývojem otěruvzdorných vrstev uvedené vlastnosti měřily a vyhodnocovaly. K takovým analýzám je zapotřebí dobře vybavená laboratoř a trvalá spolupráce s výzkumnými pracovišti, a to nejen tuzemskými. Firma SHM, s. r. o., se již přes deset let věnuje intenzivnímu vývoji PVD vrstev a jejich přípravě v průmyslovém měřítku. Uvedená měření jsou využívána nejenom v každodenní pravidelné kontrole výroby povlaků, ale především v oblasti vývoje PVD vrstev.
Michal Šíma
Mojmír Jílek
Pavel Holubář
Ondřej Zindulka
Reklama
Vydání #6
Kód článku: 40642
Datum: 16. 06. 2004
Rubrika: Trendy / Měření
Autor:
Firmy
Související články
Vysoké nároky na přesnost robotických aplikací

Trh robotických technologií v posledních letech zažívá prudký rozmach. Moderní průmyslová odvětví se po celém světě stále více spoléhají na inteligentní roboty vyznačující se vysokou přesností a 100% spolehlivostí. Výhodami pro jejich provozovatele jsou flexibilnější výrobní procesy, vyšší kvalita, nižší spotřeba materiálů a úspory nákladů. Klíčovou roli v oblasti chytrých robotických technologií hrají inovativní snímače, které fungují jako rozhraní mezi robotem a jeho prostředím.

Měření v rámci celého výrobního řetězce

Na cestě k aplikaci konceptu Průmyslu 4.0 se měřicí a kontrolní technologie čím dál víc používají jako řídící nástroj ve výrobě. V rámci plnění této nové role ale potřebují pružněji a rychleji zachytit kvalitativní údaje na různých místech: v měřicí laboratoři, v těsné blízkosti výrobní linky, stejně tak jako přímo v ní.

Přesné měření libovolného materiálu nebo povrchu

Společnost Keyence uvedla na trh řadu konfokálních snímačů polohy CL-3000 pro vysoce přesné měření na jakémkoliv materiálu nebo povrchu. Tyto vysoce kompaktní koaxiální laserové snímače polohy pomáhají s takovými úkoly, jako je zlepšování kvality, prevence dodávek nevyhovujících dílů a zvyšování objemu výroby.

Související články
Měřicí technologie pro Průmysl 4.0 v Nitře

Průmysl 4.0 závisí na propojení systémů schopných spolu komunikovat, schopných získávat, vyhodnocovat a sdílet data a na takto zpracované informace reagovat v reálném čase. Údaje z měření jsou nezbytné pro shromažďování informací, které mají být použity při inteligentním rozhodování za účelem zabránit nežádoucím procesním změnám.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Měřicí technika se stává součástí výrobních strojů

Vzhledem k tomu, že jednou z aktivit České metrologické společnosti, z. s., je mimo jiné také sledování prezentace aktuálních metrologických novinek, trendů vývoje a zastoupení metrologie na veletrzích pořádaných v České republice i v zahraničí, navštívili jsme mimo jiné veletrh Toolex 2017, který se již po desáté konal v polském městě Sosnowiec na třetím největším výstavišti v Polsku – Expo Silesia.

Velmi přesný měřicí stroj pro výpočetní tomografii

Nový model TomoCheck S HA (High Accuracy) 200 společnosti Werth Messtechnik GmbH se senzorem pro výpočetní tomografii je aktuálně nejpřesnějším souřadnicovým měřicím strojem na světě.

Měřicí přístroje pro efektivní výrobu

Jestliže jsou nástroje přesně zaměřeny a seřízeny ještě před samotným obráběním mimo obráběcí stroj, lze následně zkrátit vedlejší neproduktivní časy na stroji a zvýšit tak celkovou efektivitu výroby. Přístroje pro měření a seřizování nástrojů mohou v samotném procesu třískového obrábění zajistit zvýšení produktivity až o 25 %, a to při velmi dobrém poměru cena/výkon. Úspěšné obrábění tedy vyžaduje nejen výkonné stroje, ale i přesně seřízené nástroje.

Vylepšený triangulační snímač střední třídy

Laserové snímače optoNCDT 1750 měří posunutí, vzdálenost a polohu v mnoha průmyslových odvětvích, jako je například automatizační technika, výroba elektroniky, automobilový průmysl a strojní zařízení. Tento nový model zachovává kompaktnost a robustnost svého osvědčeného předchůdce ILD1700, ale významně zvyšuje maximální vzorkovací frekvenci, přesnost a rozlišení.

Konfirmace měřidel

Příspěvek se zabývá problematikou zajištění návaznosti měření a rozebírá obvyklé metrologické čin-nosti, které jsou za tím účelem prováděny. Zákon o metrologii i běžná praxe zmiňují jako základní postupy kalibraci nebo ověření stanovených měřidel. Kalibrace je postup vedoucí k dosažení způsobilého měřidla ve dvou logických krocích podle definice VIM. Vždy musí být zjištěn aktuální stav měřidla – provádí se zkouškou, která ověří, zda je měřidlo způsobilé plnit dané specifikace, či nikoliv. Nezpůsobilé měřidlo se musí kalibrovat nebo vyřadit. O výsledku je vydán doklad (kalibrační certifikát), jímž je potvrzena způsobilost z dřívější kalibrace nebo způsobilost dosažená kalibrací novou. Zvláštní pozornost je věnována kalibraci měřidel řízených softwarem, např. u souřadnicových měřicích strojů.

Měření energie je důležité ve všech oborech

Spotřeba a ve velké míře i kvalita energií je v poslední době stále více sledovanou veličinou. Měřicími systémy od přehledových měřičů spotřeby až po systémy, kde je měření, zobrazování, ukládání a grafické prezentování veličin integrováno do větších systémů lze získávat přehled o spotřebě kdykoli je to potřeba.

Průmysl 4.0 v měření aneb Kvalita 4.0

V souvislosti s postupující mírou digitalizace a automatizace výroby se často hovoří o Průmyslu 4.0 neboli čtvrté průmyslové revoluci. Tento trend se pochopitelně nevyhýbá ani oboru měření. Objevuje se dokonce nový pojem – Kvalita 4.0. Co si pod tím představit?

Vestavné přístroje pro měření v silnoproudé síti

Řadou vestavných přístrojů SIRAX se doplňují přístroje s vysokým výkonem SINEAX a završují tak portfolio v této oblasti. Přístroje série SIRAX se vyznačují základní funkčností převodníku elektrických veličin za dodržení velmi dobrého poměru cena/výkon. Přístroje BM1200 a BM1400 představují jednoduché a cenově výhodné monitory silnoproudé sítě. Pro vyšší stupeň vizualizace a komfortnější koncept obsluhy jsou vhodné multifunkční monitorovací přístroje, které byly označeny MM1200 a MM1400, jsou vybaveny TFT displejem a lze je na základě přehledného menu též konfigurovat.

Moderní metrologie pro kontrolu povrchu optiky

S vývojem tradiční sférické optiky se postupně celkově zvětšují její rozměry i hmotnost. S cílem zvýšit přesnost a zlepšit funkční vlastnosti se jednotlivé optické komponenty kombinují. Přitom v uplynulém období progresivní optické konstrukce využívaly asférickou a difrakční optiku k redukci počtu dílů sestavy. Jedna asférická nebo difrakční čočka může nahradit několik konvenčních sférických čoček, což umožní snížit hmotnost, cenu i potřebný prostor, ale především získat kompaktnější a výkonnější optický systém.

Revoluční linka pro měření kvality

Je to takový český "americký sen". Začínal jako soustružník, dnes Miroslav Dušek vlastní strojírenskou firmu s mnohamilionovým obratem. Láska k poctivému řemeslu se u něj potkává s vynalézavostí, která ho nyní dovedla k vývoji revoluční linky pro měření kvality.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit