JIŘÍ HÁJEK, ANTONÍN KŘÍŽ - zcu.czzpůsoben třením musí být menší než měřená frekvence krystalu. Běžně prováděnému testu při rychlosti 100 m/s a frekvenci snímání

University of West Bohemia in Pilsen

SLEDOVÁNÍ TRIBOLOGICKÝCH VLASTNOSTÍ TENKÝCH VRSTEV

JIŘÍ HÁJEK, ANTONÍN KŘÍŽ


MOTIVACE EXPERIMENTU

V SOUČASNÉ DOBĚ:„PIN-on-DISC“ – velmi důležitá analýza z hlediska správného využití příslušného typu systému tenká - vrstva substrát.

CO JE MOŽNÉ ANALÝZOU „PIN-ON-DISC“ ZJISTIT?

1) Určení kinetického, event. statického koeficientu tření v laboratorních podmínkách.

1/21


2) V průběhu posledních let se velmi sleduje opotřebení tenkých vrstev.Zjištěnou hodnotu lze ovšem využít pouze pro srovnání v rámci jednoho experimentu. Pokud se jedná o opotřebení v řádech mikronů je tato hodnota prakticky nezměřitelná běžně používanými profilometry.

CÍL EXPERIMENTU: navrhnout takový test, který umožní sledovat testovaný materiál za podmínek odpovídajících praktickému využití

MOTIVACE EXPERIMENTU

2/21


MĚŘENÍ KOEFICIENTU TŘENÍ

Základ tribologických měření

PROBLÉMY:1) Třecí síla se mění neustále, takže jakákoliv představa o zjištění přesného koeficientu

tření se pouze blíží realitě.2) Kalkulace frikčního koeficientu jsou založeny ve většině případů na tzv. nominální

síle Fn.

TÉMĚŘ U VŠECH MĚŘENÍ (např.: tribometr CSM – cena zařízení cca 1,5 mil. Kč.) Koeficient tření odvozen z poměru Ft (měřené) a Fn (závaží, které je zavěšené např. na rameni, čímž je vyvozena normálová síla).

3/21


Ra=6,23 Ra=4,530

0,01

0,01

0,02

0,02

0,03

0,03

0,04

0,04

0,05

0,05

0,06

0,06

0,07

0,07

0,08

0,08

0,09

0,09

0,1

Vliv drsnosti na rozptyl koeficientu tření

Drsnost

Od

chyl

ka o

d p

rům

ěrn

é h

od

no

ty


Drsný povrch = kolísání zatížení → nepřesný koeficient tření

4/21


Prudké změny v třecí síle mohou být způsobeny změnami reálné kontaktní síly Fn


5/21

0,00 0,00 0,00 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02 0,03 0,03 0,030,0

0,1

0,1

0,2

0,2

0,3

0,3

0,4

0,4

0,5

0,5

0,6

0,6

0,7

0,7

0,8

0,8

0,9

0,9

1,0

1,0

Změny v třecí síle?

Dráha

Koefi

cien

t tř

en

í


MĚŘENÍ KOEFICIENTU TŘENÍKontaktní síla

Frikční síla (koreluje s kontaktní silou)

Rozdíl mezi okamžitou a nominální zátěžnou silou při výpočtu μ

μ= okamžitá frikční síla/okamžité zatížení

μ= okamžitá frikční síla/nominální zatížení

6/21

Reálný vztah mezi kontaktní silou a silou frikční

Rozdíl mezi měřením koeficientu tření založeném na poměru třecí síly a reálného zatížení

a

měřením vycházejícím z nominálního zatížení



Když μ = Ft(okamžitá)/Fn(okamžité)

Poskytuje míru intenzity interakce nerovností, nebo smykových sil v určitém bodě a čase.

Toto měření lze provést i v případě, že je Fn nominální ovšem zvolená rychlost a okolní chvění musí být nízké.

7/21


V případech kdy je koeficient tření extrémně nízký (0,01) vzrůstá důležitost absolutní roviny ramene a testovaného vzorku. Již při odchylce 1° může dojít k velmi výrazné chybě. Důležité je v těchto případech i vyvážení ramene


8/21


TECHNIKA SNÍMÁNÍ KOEFICIENTU TŘENÍ

1) Piezoelektrický snímač 2) Snímače napětí (prodloužení)

1) Tento typ snímání nám umožní snímání s frekvencí vyšší než 25kHz (lze měřit i výrazné okamžité změny při měření koef. tření). Frekvenční limit chvění jež je způsoben třením musí být menší než měřená frekvence krystalu. Běžně prováděnému testu při rychlosti 100 m/s a frekvenci snímání 25kHz, odpovídá 40 μm distance měření.

2) Tento typ měření je rozšířenější ovšem nelze zaznamenat prudkou změnu v koef. tření. V případě obvyklého snímače prodloužení je měřící frekvence 0,2 – 4,8 kHz. Pokud se sleduje např. vliv drsnosti běžně připravovaných povrchů tak pro identifikaci jednotlivých nerovností je nutné použít testovací rychlost max.2 až 4 cm/s.Možnost sledování vliv drsnosti povrchu na koeficient tření i s pomocí běžných snímačů prodloužení je ukázáno na následujícím grafu (rychlost 1cm/s).

9/21


TECHNIKA SNÍMÁNÍ KOEFICIENTU TŘENÍKinetický k. tření při různé drsnosti

0,58

0,58

0,59

0,59

0,60

0,60

0,61

0,61

0,62

0,62

Ra = 6,23 Ra = 4,53

Ko

ef.

tře

ní

Vliv drsnosti povrchu na kinetický koef. tření.

V obou případech byly nastaveny shodné parametry včetně zvoleného materiálu. Vzorky se lišily pouze v drsnosti povrchu

10/21

Z těchto důvodů byl zvolen snímač prodloužení, který umožňuje vychýlení ramene o 2mm (±1mm).


MĚŘENÍ OPOTŘEBENÍ

Pro výpočet některých veličin charakterizujících odolnost vrstvy vůči opotřebení, jako je např. koeficient opotřebení, je nutné znát hloubku a reálný reliéf stopy opotřebení.

Nejčastěji se hloubka stopy určuje pomocí dotykového profiloměru. Profily se měří v několika místech stopy.

Snadno může dojít ke zkreslení výsledků

Z těchto důvodů bylo potřeba vybrat metodu jinou než-li konvenční dotykový profilometr

11/21

Záznam z profiloměru nekoresponduje se skutečným opotřebením

Patrné odhalení substrátu, tloušťka tenké vrstvy 4µm

0,81µm



Změna nemusí vždy odpovídat změně opotřebení

Umožňuje souvisle zaznamenávat změny

On-line měření vzdálenosti mezi

ramenem a vzorkem

Nelze pro složité tvaryJednoduché, rychléOptická profilometrie

NákladnéVelmi přesné a relativně rychléLaser scanning

profilometry

Dostáváme informace pouze z jednotlivých úseček, malá

přesnost Jednoduché, relativně rychléDotyková profilometrie

Data jsou ovlivněna transferovým materiálem

Levné a jednoduchéVáhy

NevýhodyVýhodyExp. metoda

Vybráno bylo měření opotřebení pomocí laserového konfokálního mikroskopu.

12/21


Důležité je správné nastavení tzv. zlomku měřené délky.

Čím kratší bude zlomek délky, tím se bude celková měřící délka prodlužovat a blížit se ke skutečnému profilu.


13/21



Významnou výhodou této metody je možnost měřit plochu což bylo hlavním důvodem zvolení této metody snímání reliéfu povrchu v našem případě.

Pro konfokální mikroskopii to znamená především nastavení co nejvyššího počtu kroků v ose z.

Např. pro drsnost povrchu Rt = 20μm bude nutné rozdělit osu z na min. 1000 „úseků“ aby bylo možné docílit přesnosti max. 0,02 μm.

Reálný povrch

Dlouhý zlomek délky

Krátký zlomek délky

14/21


ROZHODUJÍCÍ POŽADAVKY NA KONSTRUKCI ZAŘÍZENÍ

Opotřebení je běžným důsledkem funkce všech strojních součástí, které jsou ve vzájemném kontaktu a relativním pohybu.

Při obrábění dochází k opotřebení nástroje.

Protože podmínky práce řezného nástroje se zásadně liší od podmínek práce běžných strojních součástí, je třeba i k procesu opotřebení nástroje přistupovat odlišným způsobem.

15/21


Odlišným způsobem bude potřeba přistupovat i k tribologickým měřením týkajících se systému tenká vrstva substrát v řezném procesu.

ROZHODUJÍCÍ POŽADAVKY NA KONSTRUKCI ZAŘÍZENÍ

Hlavní požadavky na navrhovanou konstrukci zařízení.

1.) Měrný tlak – namísto běžné konfigurace bude potřeba zvýšit desetinásobně zatížení. To znamená vyšší nároky na pohon

2.) Teplota na funkčním povrchu – Tato teplota se zvýší kombinací vysokého měrného tlaku a vysoké rychlosti. Navíc bude povrch ohříván pomocí laseru

3.)Rychlost ohřevu – běžně dostupná zařízení určená k tribologickým měření neumožňují vysokou rychlost ohřevu. Toto bude zajištěno vyšším zatížením a vyššími rychlostmi

16/21


ŘEŠENÍ Snímání koeficientu tření: zvoleno sledování koeficientu tření pomocí snímačů prodloužení, které umožní snímat odchylku ramene max. 2mm s max. měřící frekvencí 4,8 kHz. Zařízení rovněž umožňuje v případě potřeby doplnit i snímač napětí ve vertikální směru (okamžité zatížení Fn).

Měření opotřebení: zvoleno bylo tzv. off-line měření pomocí konfokálního mikroskopu s přesností minimálně 0,2μm.

Konfigurace kontaktního namáhání: Z důvodů uvedených v předchozích kapitolách byla navržena konfigurace znázorněná na obrázku. „Nástroj“ neobrábí, ale smýká se po podložce. Pomocí této konfigurace je možné dosáhnout podmínek obdobných jako na hřbetu nástroje.

17/21


ŘEŠENÍ Celková konstrukce přístroje:

ZKONSTRUOVANÉ ZAŘÍZENÍ:Maximální zatížení 150 N.Maximální rychlost 3000 ot./min.Maximální průměr měřených vzorků 30cm.Nerovnost sklíčidla 0,05mm.Snímání třecí síly: snímače polohy, max. výchylka ± 1mm.Software umožňuje připojení snímače sledujícího okamžité zatížení.Měření opotřebení pomocí konfokálního mikroskopu.Laserový ohřev.

18/21


ŘEŠENÍ

Celková konstrukce přístroje:

Detail tribolologického testu při konfiguraci přibližující obrábění

19/21


ŘEŠENÍ – doprovodná měření

Při tření a opotřebení materiálů je přítomna při tribologickém procesu řada dalších jevů.

Nejdůležitějšími jsou: vibrace, hluk a teplo.

Tyto veličiny je nutné sledovat při každé tribologické analýze, neboť podávají řadu doplňujících informací.

20/21


ŘEŠENÍ – doprovodná měření

1) Přístroj na měření a analýzu zvuku

Přístroj provádějící kmitočtovou analýzu ve slyšitelném kmitočtovém rozsahu v reálné čase.

V našem případě Brüel & Kjaer 2238 Mediator

2) Bezdotykové měření teploty Bezkontaktní infrateploměr pro rychlé bezkontaktní měření teploty s laserovým zaměřováním a nastavitelnou emisitou. V našem případě OMEGA OS643E - LS

3) Měření dynamických dějůK měření dynamických jevů budou využity akcelorometrické snímače

21/21


Text tohoto příspěvku a prezentaci celé přednášky je možné stáhnout na internetové adrese: http://www.ateam.zcu.cz

Tento příspěvek vznikl na základě řešení interního grantu na FST ZČU v PLZNI v roce 2006

DĚKUJI ZA POZORNOST

http://www.ateam.zcu.cz/

Documents

JIŘÍ HÁJEK, ANTONÍN KŘÍŽ - zcu.czzpůsoben třením musí být menší než měřená frekvence krystalu. Běžně prováděnému testu při rychlosti 100 m/s a frekvenci snímání