Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Doc. Dr Pal TerekDoc. Dr Aleksandar Miletić
UNIVERZITET U NOVOM SADU
FAKULTET TEHNIČKIH NAUKA
Nanometar je milioniti deo milimetra, tj. 10-6 mm
Buva je veličine 10-3 m, tj. 1 mm
Vlas ljudske kose prečnika je 10-4 m, tj. oko 80 µm
Veličina nanokristala oko 10 nm
Materijali se danas razvijaju nananometarskom nivou i nazivajuse nanomaterijali
Šematski prikaz različitih nanostruktura nanokompozitnih prevlaka. a) stubasta, b) nanozrna okružena matricom, c) mešavina nanozrna /18/.
NANOKOMPOZITNA PREVLAKA SASTOJI SE OD NANOKRISTALNIH ZRNA JEDNOGMATERIJALA I SKELETA OD DRUGOG MATERIJALA
a) b) c)
Podloga
HRTEM snimak Ti-Si-N prevlake pripremljene hibridnim postupkom. TiN kristalna zrna veličine od 8 do 15 nm okružena su Si3N4 fazom. Elektronska difrakciona slika sa odabranog dela strukture (SAED), prikazana u gornjem desnom uglu, karakteristična je za TiN fazu.
TiNkristal
AmorfniSi3N4
PRIMER: TiSiN prevlaka = nc-TiN + a-Si3N4nc = nanokristalana = amorfan
nc-MeN/a-Si3N4 i nc-MeN/a-SiNx
METALNI NITRID OKRUŽEN SILICIJUM NITRIDOM
Hrom nitrid okružen silicijum nitridomnc-CrN/a-Si3N4
Niobijum nitrid okružen silicijum nitridomnc-NbN/a-Si3N4
Vanadijum nitrid okružen silicijum nitridomnc-VN/a-SiNx
Volfram nitrid okružen silicijum nitridomnc-W2N/a-Si3N4
Cirkonijum nitrid okružen silicijum nitridomnc-ZrN/SiNx
Najčešće tribološke prevlake
nc-Me1Me2/a-Si3N4 i nc-Me1Me2N/a-SiNx
TROKOMPONENTNI NITRID OKRUŽEN SILICIJUM NITRIDOM
Hrom aluminijum nitrid okružen silicijum nitridomnc-CrAlN/a-SiNx i nc-CrAlN/a-Si3N4
Titanijum aluminijum nitrid okružen silicijum nitridomnc-TiAlN/a-SiNx i nc-TiAlN/a-Si3N4
Titanijum aluminijum nitrid okružen silicijum nitridom i aluminijum nitridomnc-TiAlN/a-Si3N4/a-AlN
nc-MeSiN/a-SiNx
ČVRSTI NITRIDNI RASTVOR OKRUŽEN SILICIJUM NITRIDOM
Čvrsti rastvor aluminijum nitrida okružen silicijum nitridomnc-Al1-xSixN/a-SiNy
Niobijum nitrid okružen silicijum nitridomnc-Cr1-xSixN/a-SiNy
nc-MeCN/a-Si3N4 i nc-MeCN/a-SiCxNy
METALNI KARBO NITRID OKRUŽEN SILICIJUM NITRIDOM ILI KARBONITRIDOM
Titanijum karbonitrid okružen silicijum karbonitridomnc-TiCN/a-SiCxNy
Titanijum karbonitrid okružen silicijum nitridomnc-TiCN/a-Si3N4
nc-MeCN/a-Si3N4 i nc-MeCN/a-SiCxNy
METALNI NITRID OKRUŽEN BOR NITRIDOM
Titanijum nitrid okružen bor nitridomnc-TiN/a-BN
Hrom nitrid okružen bor nitridomnc-CrN/a-BN
Hrom aluminijum nitrid okružen bor nitridomnc-CrAlN/a-BN
TiC/a-C, TiN/CNx i ZrN/CNx, TiC/C+MoS2
OSTALI TIPOVI NANOKOMPOZITNIH PREVLAKA
nc-Me1N/Me2; Me2 = Cu, Fe, Ni, Y, Mo, Ag, Co
METALNI NITRID OKRUŽEN METALOM
Hrom nitrid okružen niklomCrN/Ni
Cirkonijum nitrid okružen itrijumomZrN/Y
Cirkonijum nitrid okružen bakromZrN/Cu
Titanijum nitrid okružen niklomTiN/Ni
Kod ovih nanokompozitnih prevlaka efekti ojačavanja mogu biti manje izraženi u poređenju sa onima kod kojih su kristali okruženi amorfnim nitridom ili karbidom, ali je njihova žilavost veća.
POVEĆANJE TVRDOĆE ZBOG SMANJENJA ZRNA
Intergranularni procesiKlizanje po granicama zrna
Intragranularni procesiStvaranje i kretanje dislokacija
Tvrd
oća
Veličina zrna≈ 10 nm
amorfno nanokristalno mikrokristalno
• Smanjivanjem uticaja klizanja po granicama zrna (međusobnog klizanja zrna) se povećava tvrdoća kada su zrna veličine ispod 10nm
• To se rešava nanokompozitnim dizajnom prevlake
UTICAJ UDELA SILICIJUMA
TiSiN MeSiN ili Me1Me2SiN
POREĐENJE TVRDOĆE SA DRUGIM PREVLAKAMA
500 nm
Smicajne pukotine
TiN
20 nm
Grananje pukotine
TiSiN
POVEĆANJE OTPORNOSTI NA LOM
TERMALNA STABILNOST
TiSiN TiAlSiN
OKSIDACIONA POSTOJANOST – VISOKA
Zbog stvaranja stabilnih oksida SiO2, Al2O3 i Cr2O3
Ve
ličin
a kr
ista
la [
nm
]
Ve
ličin
a kr
ista
la [
nm
]
Tvrd
oća
[G
Pa]
Temperatura zagrevanja [ ֯C/30min]
Temperatura zagrevanja [ ֯C]
Tvrd
oća
[G
Pa]
TERMALNA STABILNOST
TiBN CrN/Ni
Prevlake kod kojih je keramička faza okružena metalom (npr. CrN/Ni) dobijaju se najčešće magnetronskim
spaterovanjem pri kome se film snažno bombarduje jonima. Ovo bombardovanje izaziva zatezne napone koji rezultuju
visokom tvrdoćom. Pri zagrevanju dolazi do otpuštanja napona i pada tvrdoće.
Ve
ličin
a kr
ista
la [
nm
]
Tvrd
oća
[G
Pa]
Temperatura zagrevanja [ ֯C/30min]
Ve
ličin
a kr
ista
la [
nm
]
Tvrd
oća
[G
Pa]
Temperatura zagrevanja [ ֯C/30min]
Šematski prikaz mikrostrukture Al-Si-N prevlaka sa različitim udelom silicijuma. Oznaka "h" odnosi se na heksagonalni, a oznaka "a" označava amorfni.
Preduslov za stvaranje nanokompozitne strukture je postojanje sistema u kome se barem dve faze ne mešaju. U početnim fazama nanošenja stvara se neravnotežni čvrsti rastvor koji se
kasnije razlaže u faze koje stvaraju nanokompozit.
HABANJE PRI BUŠENJU ČELIKA
➢ povećanje otpornosti na habanje skupih alata ➢ povećanje produktivnosti usled povećanja brzina rezanja
visoka tvrdoća, termička stabilnost, oksidaciona postojanost, toplotna provodljivost, mali unutrašnji naponi, žilavosti i otpornost na lom
RADNI VEK PRI GLODANJU ČELIKA
POSTOJANOST ALATA U PRECIZNI OBRADAMA
Testerasto glodalo (D 125 mm, debljine 3,6 mm). Precizna obrada sinterovanog materijala kobalta Co1 rezanjem sa tolerancijom 0.2 mm.
Uslovi: n=300 rev./min, vf=800 mm/min, aP¼35 mm, coolant: 7% emulsion
POSTOJANOST PRI PROBIJANJU
NANOSLOJNA PREVLAKA SASTOJI SE IZ SLOJEVA RAZLIČTIH MATERIJALA ČIJA JEDEBLJINA NEKOLIKO NANOMETARA.
AlN/NbN
Par nm
Nanoslojni dizajn nudi vrhunske osobine koje ne postižu kod materijala koji su ukombinovani u sastavne slojeve nanoslojne prevlakePrva nanoslojna supertvrda TiN/VN nanoslojna prevlaka tvrdoće oko 55 GPa
Mete
Rotacioni sto
Grejač
1. rot.
2. rot.2. rot.
3. rot.
NANOSLOJNA PREVLAKA SASTOJI SE IZ SLOJEVA RAZLIČTIH MATERIJALA ČIJA JEDEBLJINA NEKOLIKO NANOMETARA.
TiN/NbN Monokristalni
AlN/NbNPolikristalni
Par nm
Nanoslojni dizajn nudi vrhunske osobine koje ne postižu kod materijala koji su ukombinovani u sastavne slojeve nanoslojne prevlakePrva nanoslojna supertvrda TiN/VN nanoslojna prevlaka tvrdoće oko 55 GPa
TiN/MeN i TiN/Me1Me2N
TITANIJUM NITRID I DRUGI METALNI NITRID
TiN/AlN
TiN/CrN
TiN/NbN
TiN/VN
TiN/ZrN
TiN/VNbN
TiN/TiAlN
• Izostrukturne i neizostrukturne prevlake
CrN/MeN i CrN/Me1Me2N
HROM NITRID I DRUGI METALNI NITRID
CrN/AlN
CrN/NbN
CrN/ZrN
CrN/AlTiN
CrN/CrAlN
CrN/TiHfN
CrN/TiSiN
SiNx/MeN i SiNx/Me1Me2N
SILCIJUM NITRID I METALNI NITRID
SiNx/TiN
SiNx/CrN
SiNx/CrAlN
SiNx/TiAlN
VN/Me1Me2N
VANADIJUM NITRID I METALNI NITRID
VN/TiAlN
VN/CrAlN
ZrN/MeN i ZrN/Me1Me2N
CIRKONIJUM NITRID I METALNI NITRID
ZrN/AlN
ZrN/WN
ZrN/TiAlN
CNx/MeN
KARBONITRID I METALNI NITRID
CNx/TiN
CNx/CrN
CNx/ZrN
MeC/MeN, MeC/Me1Me2N
KARBID I NITRID
WC/TiN
WC/TiAlN
SiC/TiN
SiC/CrAlN
BCN/CrN
Me1CN/Me2N, Me1CN/Me2Me3N
KARBONITRID/NITRID I KARBONITRID/KARBONITRID
TiCN/ZrCN
TiCN/TiNbCN
CrCN/CrN
CrCN/CrAlYCN
VCN/TiAlCN TiAlN/VNNiži koef. trenja nego
Tvrdoća nanoslojnih monokristalnih TiN/VN prevlaka u funkciji debljine dvosloja. Debljine individualnih TiN i VN slojeva su iste za svaku debljinu dvosloja, tj. lTiN/lVN = 1 [8].
Povećanje tvrdoće zbog :• ograničena dislokaciona
aktivnost unutar slojeva • otežano kretanje dislokacija
preko graničnih površina
Zavisnost tvrdoće pojedinih nanoslojnih prevlaka od debljine dvosloja
➢ naizmeničnog nanošenja materijala različitog sastava i/ili kristalne strukture,
➢ kontrole broja i osobina graničnih površina,
✓ kontrole debljine individualnih slojeva,
➢ kontrole naprezanja na graničnim površinama,
➢ stabilizacije termodinamički nestabilnih faza
500 nm
Smicajne pukotine
TiN
SiNx
TiN
TiN/SiNx
Grananje pukotine
500 nm Čelik
TiAlN/TiSiN
250 nm
(111)(200)
(220)
250 nm
(111)(200)
(220)
TiAlN/TiSiN
20 nm
(111)
(220)(200)
66
3024
0
10
20
30
40
50
60
70
TiAlN TiAlN/TiSiN CrAlN/TiSiN
Hra
pav
ost
Sa
(nm
)
TiAlN TiAlN/TiSiN
13,6
9,1
0,8
0
2
4
6
8
10
12
14
16
TiAlN TiAlN/TiSiN CrAlN/TiSiN
Ko
efi
cije
nt
hab
anja
(10
-6m
m3N
-1m
-1)
0,8
0,9
0,3
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
TiAlN TiAlN/TiSiN CrAlN/TiSiN
Ko
efi
cije
nt
tre
nja
TiAlN CrAlN/TiSiN
Nanoslojne prevlake upotrebljavaju se u svimoblastima u kojima se koriste i klasične, jednoslojnetvrde prevlake.
Zahvaljujući boljim osobinama, nanoslojne prevlakepružaju bolju zaštitu i veću trajnost prevučenimelementima.
Na slici je dato poređenje trajnosti alata sa TiN, TiCN, TiAlN i TiAlCrN/TiAlYN prevlakom. Reč je o
obradi čelika HRC 58 (100CrMoV51) glodanjem, prečnik glodala 6mm, brzina rotacije glodala30000 rpm, pomak 6 m/min.
Trajnost glodala od tvrdog metala prevučenog TiN, TiCN, TiAlN i nanoslojnom TiAlCrN/TiAlYN prevlakom
TRAJNOST PRI GLODANJU
Prikaz prevučenog glodala u operaciji visoko brzinskog rezanja bez podmazivanja
Nizak koeficijent trenja ovih prevlaka na sobnoj, ali i na povišenim temperaturama određuje oblast njihove
primene. Ove prevlake koriste se za zaštitu alata za obradu mekših i „lepljivijih“ materijala, kao što su
legure bazirane na Ni i Al.
Modifikovana TiAlN/VN superrešetka sa dodatkom od 2% Y pokazuje izuzetne performanse pri glodanju.
Na slici je dato poređenje veka trajanja neprevučenog alata od tvrdog metala, alata prevučenog TiCN
prevlakom i alata prevučenog nanoslojnom TiAlYN/VN prevlakom. Reč je o glodalu prečnika 8 mm kojim je
vršeno rezanje bez podmazivanja čelika EN24 HRC 38, brzina rezanja 385 m/min, pomak 0.2 mm/o i
dubina 3.8 mm.
Životni vek glodala od tvrdog metala prevučenog različitim PVD prevlakama
TIALN/VN SUPERREŠETKE - MOGUĆNOSTI PRIMENE
Druga moguća primena TiAlN/VN prevlaka je obrada žilavih materijala kao što su Inconel (legura nikla) i
nerđajući čelik. Na slici je dat trajanja različitih prevlaka pri obradi legure Inconel 718 HRC 43, brzina
rezanja 90 m/min, dubina 0.5 mmvek, pomak 0.2 mm/o.
Životni vek glodala od tvrdog metala prevučenog TiAlN i TiAlN/VN prevlakom pri rezanju bez podmazivanja
TIALN/VN SUPERREŠETKE - MOGUĆNOSTI PRIMENE
TiAlCrN/TiAlYN prevlaka koristi se za prevlačenje alata u industriji stakla, alata za provlačenje, alata za
kovanje i alata za livenje.
TIALCRN/TIALYN - MOGUĆNOSTI PRIMENE
Bez prevlake pravi 2800, a sa prevlakom
4000 komada.
kalup za livenje aluminijumskih felni
precizni alat za kovanje lopatica avionskih motora
Kalup za ekstruziju i odgovarajući proizvod
Bez prevlake (čelik H13) pokazuje
značajna oštećenja nakon izrađenih 700
komada, alat sa TiAlCrN/TiAlYN
prevlakom i nakon 1600 komada ima
samo manje pohabane površine i može
još da se koristi
Prevučen alat ima dva puta duži vek
trajanja
Delovi mašina koje se koriste u tekstilnoj industriji izloženi su snažnom habanju i koroziji koja se javlja
usled agresivnosti materijala ili okruženja. Vlakna koja se koriste, kao što su poliester, polipropilen i
poliamid često sadrže TiO2. Zajedno sa česticama prašine, kao što je SiO2, ovi abrazivni materijali
Prisustvo visoke vlažnosti koju zahteva sam proces. Pored trenja i korozije ovi delovi izloženi su i
promenjivim opterećenjima koja dovode do zamora materijala.
CRN/NBN SUPERREŠETKE – PRIMENA U TEKSTILNOJ INDUSTRIJI
Pored dobrih mehaničkih osobina i hemijske stabilnosti površina delova ovih
mašina mora biti glatka.
CrN/NbN prevlaka obezbeđuje glatku površinu, visoku otpornost na habanje i
visoku otpronost na koroziju.
Primer primene su makaze za sečenje tekstilnih vlakana.
Pored tekstilne industrije zahvaljujući svojoj biokompatibilnosti, otpornosti na habanje i koroziju CrN/NbN
prevlake mogu da se koriste u proizvodnji hrane.
Pored toga koriste se u štamparskoj industriji (noževi za sečenje nalepnica-etiketa),
CRN/NBN SUPERREŠETKE – OSTALA PRIMENA
Noževi i rešetke za mlevenje mesa
Noževi za sečenje nalepnica-etiketa
Implantati za ljudsko telo
Doc. Dr Pal TerekDoc. Dr Aleksandar Miletić