Projekti / Programi
Samomazivne in obrabno obstojne trde PVD-prevleke na osnovi (V,Cr,Al,Ti)N za zaščito orodij za delo v vročem
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.01 |
Tehnika |
Materiali |
Anorganski nekovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T155 |
Tehnološke vede |
Prevleke in površinska obdelava |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
PVD trde prevleke, vroče kovanje, tanke plasti trdih maziv, obraba, trenje
Raziskovalci (14)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
18271 |
dr. Miha Čekada |
Materiali |
Raziskovalec |
2013 - 2016 |
440 |
| 2. |
18635 |
Tatjana Filipič |
|
Tehnični sodelavec |
2013 - 2016 |
24 |
| 3. |
33428 |
dr. Peter Gselman |
Biotehnologija |
Mladi raziskovalec |
2013 - 2014 |
73 |
| 4. |
12616 |
dr. Darinka Kek Merl |
Materiali |
Raziskovalec |
2013 - 2016 |
129 |
| 5. |
15703 |
dr. Janez Kovač |
Elektronske komponente in tehnologije |
Raziskovalec |
2013 - 2016 |
670 |
| 6. |
23893 |
Marko Kuk |
Proizvodne tehnologije in sistemi |
Raziskovalec |
2013 - 2016 |
0 |
| 7. |
23883 |
mag. Vojko Leskovar |
Konstruiranje |
Raziskovalec |
2013 - 2016 |
0 |
| 8. |
07642 |
dr. Vojteh Leskovšek |
Materiali |
Raziskovalec |
2013 - 2016 |
359 |
| 9. |
15603 |
Andrej Mohar |
|
Tehnični sodelavec |
2013 - 2016 |
2 |
| 10. |
26463 |
dr. Matjaž Panjan |
Elektronske komponente in tehnologije |
Raziskovalec |
2013 - 2016 |
221 |
| 11. |
09090 |
dr. Peter Panjan |
Materiali |
Vodja |
2013 - 2016 |
792 |
| 12. |
15269 |
dr. Bojan Podgornik |
Materiali |
Raziskovalec |
2013 - 2016 |
1.130 |
| 13. |
23882 |
Robert Ribič |
Proizvodne tehnologije in sistemi |
Raziskovalec |
2013 - 2016 |
0 |
| 14. |
15604 |
Tomaž Sirnik |
|
Tehnični sodelavec |
2013 - 2016 |
0 |
Organizacije (3)
Povzetek
V zadnjih desetletjih je bil z uporabo trdih PVD-prevlek dosežen izjemen napredek pri povečanju obstojnosti rezalnih orodij. Učinkovita zaščita orodij za delo toplem (vroče kovanje, vroča ekstruzija lahkih zlitin, tlačno litje lahkih zlitin) pa ostaja še naprej nerešen problem. Te postopke uporabljajo številna podjetja v Sloveniji (npr. Unior, Impol, Unitech, Rotomatika). Dolgo tradicijo ima še zlasti vroče kovanje, ki ga v podjetju Unior, Zreče (ki je sofinancer tega projekta) uporabljajo v proizvodnji komponent za avtomobilsko industrijo. Kovani izdelki iz jekla imajo odlične mehanske lastnosti, slabost postopka pa je majhna obstojnost orodij.
V okviru tega projekta se bomo zato ukvarjali z zaščito orodij za vroče kovanje. Za vroče kovanje je značilna izjemno neugodna kombinacija velikih mehanskih, termičnih in kemijskih obremenitev, ki povzročajo ne samo abrazijsko in adhezijsko obrabo orodnega jekla, ampak tudi nastanek mreže razpok (zaradi termičnega in mehanskega utrujanja). S klasičnimi trdimi PVD-prevlekami lahko zmanjšamo abrazijsko in adhezijsko obrabo, nastanka in širjenja mikrorazpok pa ne moremo preprečiti.
V zadnjih letih se je pojavila ideja, da bi klasične mazalno-hladilne tekočine nadomestili z samomazivnimi trdimi prevlekami, ki jih lahko nanesemo na površino orodja. S takšno prevleko hkrati zmanjšamo trenje (ki je eden glavnih vzrokov za segrevanje orodja), povečamo odpornost na abrazijo in zmanjšamo temperaturna nihanja površine orodja med kovanjem. Izbor PVD-prevlek, ki izpolnjujejo zgornje zahteve, ni zelo širok. Raziskave so usmerjene predvsem v trdih prevleke z dodatkom vanadija. V fazi vročega preoblikovanja, ko se površina orodja segreje na dovolj visoko temperaturo (okrog 600 °C), se sproži difuzija vanadija na površino prevleke, kjer se tvori V2O5, ki ima odlične mazalne lastnosti. Po tej fazi se orodje nekoliko ohladi, zato se proces difuzije zaustavi. Ta proces mazanja je učinkovit vse od izrabe razpoložljivega vanadija.
Pri razumevanju mehanizmov mazanja je še vrsta nerešenih problemov: a) katera prevleka je najbolj primerna za dopiranje z vanadijem; b) kolikšna je optimalna koncentracija vanadija, da dosežemo učinkovito in čim bolj dolgotrajno mazanje in da pri tem ne poslabšamo preveč trdote in drugih tribološko pomembnih lastnosti.
V okviru tega projekta bomo podrobneje raziskovali večkomponentne trde PVD-prevleke na osnovi (Cr,Al,Ti,V)N, ki jih bomo pripravili z naprševanjem v obliki enojne plasti in v obliki nanoplaste strukture. Za nanos bomo uporabili naprševalnik s štirimi magnetronskimi izviri. V dva izvira bomo vgradili tarče iz dveh trikotnih delov. Vsak segment tarče bo iz različnih materialov (V, Cr, Al). Sestava prevleke se bo zato gradiento spreminjala po višini vakuumske komore. Tako bomo v eni šarži na testne ploščice iz orodnega jekla H11 nanesli prevleke z zelo različno sestavo. Izmerili bomo, kako se s sestavo prevleke spreminjajo strukturne in mikrostrukturne lastnosti, mikrotrdota, adhezija, oksidacijska obstojnost, koeficient trenja in obraba. Iz teh meritev bomo določili optimalno sestavo prevleke (Cr,Ti,Al,V)N, postopek obdelave površine podlag in parametre naprševanja.
Pomen za razvoj znanosti
Učinkovita zaščita orodij za vroče kovanje pred obrabo je še danes velik izziv za tehnologe in znanstvenike. Pri tem proizvodnem postopku so orodja izpostavljena velikim termičnim in mehanskim cikličnim napetostim in sočasno intenzivni eroziji in trenju. Obraba, erozija, plastična deformacija, termično in mehansko utrujanje orodnega materiala povzročijo hude poškodbe orodja. Da bi povečali njihovo obstojnost, pogosto uporabimo različne postopke inženirstva površin. Eden od najperspektivnejših je dupleks postopek, ki je kombinacija plazemskega nitriranja in PVD nanosa trde prevleke. Nitridna cona izboljša nosilnost površine jekla in odpornost na termično utrujanje. Naloga PVD trde prevleke pa je, da zmanjša trenje in poveča odpornost povšine orodja na abrazijsko obrabo ter termično obstojnost. Pri postopkih vročega kovanja se standarno uporabljajo klasična hladilno-mazalnna sredstva (vodna suspenzija grafita). Njihova uporaba povzroči nastanek razpok zaradi termičnega utrujanja, ki je posledica termičnih šokov. Uporaba maziv, ki so okolju škodljiva, dodatno poveča tudi proizvodne stroške. Vse to so razlogi za zamenjavo klasičnih hladilno-mazalnih tekočin s trdimi samomazivnimi prevlekami, ki jih nanesemo na površino orodja. Poleg dobrih mazalnih lastnosti, mora takšna prevleka v pogojih vročega kovanja obdržati svoje mehanske lastnosti. Klasične prevleke niso primerne za zaščito orodij za vroče kovanje, ker nimajo dobrih mazalnih lastnosti pri visoki temperaturi. Najobetavnejše so PVD trde prevleke na osnovi vanadija.Vanadijev oksid, ki nastane pri visoki temperaturi, ima dobre mazalne lastnosti. Majhen koeficient trenja pripisujemo V2O5 fazi z nizko temperaturo tališča (okrog 670°C) in z kristalnimi ravninami, ki omogočajo zmanjšano trenje (t.i. Magnelijeve faze). Difuzija vanadija na površino prevleke je potreben pogoj, ki med obratovanjem orodja zagotavlja kontinuiran samomazalni učinek. Vendar pa difuzija vanadija ne sme biti prehitra, ker preveč intenzivna difuzija bistveno poslabša mehansko integriteto prevleke. S tega vidika VN prevleka ni primerna, ker pri visoki temperaturi zelo hitro oksidira. Da bi lahko kontrolirali difuzijo vanadija so raziskovalci predlagali prevleke z različno sestavo in zgradbo. Ena od možnosti so klasične prevleke v katere vgradimo vanadij v obliki trde raztopine (npr. CrN, TiN, TiAlN). Druga možnost je nanos različnih nanoplastnih prevlek na osnovi VN (npr. CrN/VN, TiAlN/VN). Da sprožimo difuzijo vanadija in oksidacijo le-tega potrebujemo v obeh primerih temperaturo med 400-600°C. V tem projektu smo uporabili nanoplastne prevleke sestavljene iz CrN, (Cr,V)N in VN. Ugotovili smo, da na površini takšnih prevlek pri visoki temperaturi (600-700°C) nastane krom oksidna plast, ki deluje kot zapora za volumsko difuzijo vanadija. Vendar pa smo opazili, da pri oksidaciji odigrajo pomembno vlogo rastni defekti. Takšne morfološke nepravilnosti omogočajo bližnjico za difuzijo vanadija, saj je meja med nodularnim defektom in matrico je zelo porozna. Opazili smo, da se vanadijev oksid, ki se v začetni fazi oksidacije pojavi okrog nodularnih defektov, kasneje razleze čez celotno površino. Na ta način ohranimo mehansko integriteto nanoplastne strukture, hkrati pa je difuzija vanadija dovolj počasna da zagotovi zadostno količino vanadijevega oksida in posledično majhen koeficient trenja. Prav takšna kombinacija lastnosti se pričakuje trdih prevlek za zaščito orodij za vroče kovanje.
Pomen za razvoj Slovenije
Podjetje Unior, ki je bilo sofinancer tega projekta, se uvršča med največja evropska podjetja na področju vročega kovanja. So eksluzivni dobavitelj zahtevnih kovanih izdelkov za vodilna podjetja v avtomobilski industriji. Glavno vodilo podjetja je povečati kvaliteto izdelkov, povečati produktivnost in zmanjšati proizvodne stroške. Da bi dosegli te cilje so potrebne izboljšave v vseh segmentih proizvodnje. Pri tem so orodja za vroče kovanje eden pomemnejših segmentov v proizvodnji komponent za avtomobilsko industrijo. Obstojnost orodij je z vidika ekonomičnosti proizvodnje zelo pomembna, zato je njeno podaljšanje ena glavnih nalog tehnologov v industrijski proizvodnji. Povečanje obstojnosti in preprečitev nepričakovanih poškodb orodja zmanjšata proizvodne stroške in dvigneta produktivnost na višji nivo. Vsi procesi propadanja orodja (abrazija, adhezijska in erozijska obraba, termično in mehansko utrujanje, plastična deformacija) potekajo v glavnem v površinski plasti orodnega materiala. Zato je najbolj učinkovit način za povečanje obstojnosti orodja modifikacija površinskih lastnosti orodnega materiala (npr. z plazemskim nitriranjem in nanosom prevleke, ki mora imeti ustrezne tribološke lastnosti, kot sta trdota in koeficient trenja. Povečanje obstojnosti, manj popravil in vzdrževalnih del na orodju za vroče kovanje imajo velik vpliv na ceno in produktivnost. Da bi si pridobili konkurečno prednost na trgu, si podjetje Unior prizadeva vpeljati nove tehnologije za izboljšanje orodij za vroče kovanje. V tem projektu smo sledili temu izzivu tako, da smo razvili nove prevleke, ki smo jim prikrojili specifične tribološke lastnosti tako, da bi povečali obstojnost orodja in zmanjšali ali celo izločili uporabo hladilno-mazalnih tekočin. Tako smo dizajnirali in razvili novo vrsto trde samomazivne prevleke na osnovi vanadija. Pričakujemo, da bodo to novo obliko inženirstva površin, ki smo jo razvili v okviru tega projekta, v podjetju Unior v bližnji prihodnjosti začeli tudi komericialno izkoriščati. Obseg proizvodnje v industriji kovanja je zelo velik. Zato pričakujemo, da bo takšna inovativna rešitev, ki poveča obstojnost orodja, zmanjša porabo hladilno-mazalnih tekočin in zmanjša stroške vzdrževanja orodja, bistveno povečala učinkovitost proizvodnega procesa, kvaliteto površine izdelka in tako imela velik ekonomski učinek. Pričakujemo, da bodo imele samomazalne prevleke, ki smo jih razvili v okviru tega projekta, naslednje pozitivne učinke: • povečanje obstojnosti orodja za vroče kovanje • manjša poraba hladilno-mazalnih tekočin • zmanjšanje vzdrževalnih stroškov • izboljšanje kvalitete površine kovanih izdelkov. Tako naj bi rezultati tega projekta omogočili sofinancerju, da poveča konkurečnost na trgu. Za uspešno uporabo orodij za vroče kovanje v industrijski proizvodnji je potrebno celovito poznavanje triboloških mehanizmov med kovaškim orodjem in materialom obdelovanca. Zato smo v okviru projekta naredili tudi takšne preiskave na izbranih orodjih. Še en aspekt je pomemeben. PVD-tehnologije so po vseh kriterijih ekološko sprejemljive. V primerjavi s konvencionalnimi hladilno-mazalnimi tekočinami ne puščajo strupenih odpadkov, tekočih kemikalij, aerosolov ali prahu. Poraba vhodnih materialov je minimalna, voda pa se uporablja le za hlajenje, pa še to je minimalno, če uporabljamo zaprt tokokrog. Z zamenjavo ekološko problematičnih kemijskih tehnologij za nanašanje prevlek in uvajanjem PVD-postopkov dosežemo širši pomen za družbo. Nenazadje je pomembno tudi to, da rezultati tega projekta in izmenjava znanj širijo obzorja obeh partnerjev – tehnologov iz podjetja Unior in raziskovalcev sodelujočih institutov.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
