Προσδιορισμός συμπεριφοράς PVD επικαλύψεων επί κοπτικών εργαλείων σε επαναλαμβανόμενη κρούση με διάφορα φορτία και θερμοκρασίες
Authors: Λίλη Ελευθερία 
Published: August 2021

Η εναπόθεση σκληρών λεπτών επικαλύψεων με τη μέθοδο της φυσικής εναπόθεσης ατμών αποτελεί ιδιαίτερα σημαντικό τμήμα της βιομηχανίας μηχανολογικών εξαρτημάτων και κοπτικών εργαλείων, καθώς η ανάγκη βελτίωσης των επικαλύψεων και των τρόπων εναπόθεσής τους είναι διαρκής. Για το σκοπό αυτό κρίθηκε απαραίτητο να πραγματοποιηθεί επισταμένη μελέτη σχετικά με τις εσωτερικές τάσεις, τη δομή των επικαλύψεων, αλλά και ποια είναι η συμπεριφορά τους σε υψηλές θερμοκρασίες. Μελετήθηκε λοιπόν, σε δοκιμαστήριο επαναλαμβανόμενης κρούσης, ένας μεγάλος αριθμός επικαλύψεων, μονοστρωματικές και διστρωματικές από διάφορες οικογένειες, για ποικίλες θερμοκρασίες και φορτία. Τα αποτυπώματα όλα φωτογραφήθηκαν σε οπτικό μικροσκόπιο SEM και μέσω ειδικού λογισμικού WEPROC αξιολογήθηκαν και προσδιορίστηκε κάθε φορά το ποσοστό αστοχίας. Πολλά αποτελέσματα παρουσιάστηκαν συγκρινόμενα μεταξύ τους ώστε να είναι εμφανής η κοινή επίδραση της θερμότητας στις επικαλύψεις. Για όλες τις περιπτώσεις επικαλύψεων που υποβλήθηκαν σε κρούση, πραγματοποιήθηκαν προσομοιώσεις μέσω ειδικού λογισμικού πεπερασμένων στοιχείων. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν με τα θεωρητικά υπολογισμένα. Δημιουργήθηκε όμως η ανάγκη να εξετασθεί το τι ακριβώς συμβαίνει κατά τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης και κατά πόσο η δοκιμασία η ίδια, λόγω της σημειακής φόρτισης και της προσφοράς μηχανικής ενέργειας, οφείλεται για την μεταβολή των ιδιοτήτων της επικάλυψης. Επικάλυψη υποβλήθηκε σε επαναλαμβανόμενη κρούση και στη συνέχεια το αποτύπωμα που προέκυψε μελετήθηκε μέσω διαδικασίας νανοδιείσδυσης ως προς την σκληρότητά τους. Τα αποτελέσματα ήταν ιδιαίτερα ενδιαφέροντα καθώς έδειξαν ότι η σκληρότητα στην περιοχή του αποτυπώματος δεν είναι παντού η ίδια. Στο κέντρο το αποτύπωμα είναι πιο σκληρό σε σχέση με την περιφέρειά του. Η όλη διαδικασία προσομοιώθηκε με λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων και τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν και θεωρητικά. Οι ιδιότητες λοιπόν, της επικάλυψης δεν επηρεάζονται από την σημειακή της φόρτιση. Τα τασικά πεδία που προέκυψαν από την προσομοίωση επιβεβαιώνουν ότι η επικάλυψη δεν φορτίζεται πλαστικά και παραμένει στην ελαστική περιοχή. Αντίθετα, αυτό που φορτίζεται είναι το υπόστρωμα. Καθώς λοιπόν φορτίζεται το υπόστρωμα παρασύρει την επικάλυψη και στο κέντρο του αποτυπώματος η επικάλυψη καταπονείται με θλιπτικές τάσεις, ενώ στην περιφέρειά της με εφελκυστικές. Οι φορτίσεις αυτές οδηγούν στην αστοχία της επικάλυψης. Τέλος, έγινε μία προσπάθεια να μελετηθεί η επίδραση του υποστρώματος στην συμπεριφορά της επικάλυψης. Συγκεκριμένα μελετήθηκε η επικάλυψη TiAlN η οποία εναποτέθηκε σε δύο διαφορετικά υποστρώματα. Η διαφορά των δύο υποστρωμάτων εντοπίζεται στο μέγεθος των κόκκων του σκληρομετάλλου. Συμπερασματικά προέκυψε ότι η επικάλυψη που εναποτέθηκε στο υπόστρωμα με μικρούς κόκκους παρουσίασε καλύτερη συμπεριφορά και μεγαλύτερη αντοχή, επιβεβαιώνοντας για άλλη μια φορά τη σημασία της προετοιμασίας του υποστρώματος στη συμπεριφορά της επικάλυψης. Επειδή όμως η σπουδαιότητα των επικαλύψεων επικεντρώνεται στα κοπτικά εργαλεία και το ενδιαφέρον των βιομηχανιών έγκειται κυρίως στην απόδοση των κοπτικών εργαλείων, τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από τη δοκιμασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες, συγκρίθηκαν με την πραγματική συμπεριφορά των επικαλύψεων σε κοπή. Οι κοπές πραγματοποιήθηκαν στο Εργαστήριο Εργαλειομηχανών και Διαμορφωτικής μηχανολογίας. Η συμπεριφορά των επικαλύψεων σε κοπή είναι πανομοιότυπη και δείχνει την ίδια τάση όπως κι αυτή που προέκυψε από τα πειράματα επαναλαμβανόμενης κρούσης. Η διαπίστωση αυτή καθιστά τη διαδικασία επαναλαμβανόμενης κρούσης σε υψηλές θερμοκρασίες μία έγκυρη μέθοδο αξιολόγησης των επικαλύψεων.