Modelowanie wpływu parametrów technologicznych na własności

003
E’2
M
AM
1 2th
Modelowanie wpływu parametrów technologicznych na własno ci mechaniczne
powłok PVD*
L.A. Dobrza ski, A. Polok, M. Sroka, W. Kwa ny
Zakład Technologii Procesów Materiałowych i Technik Komputerowych w
Materiałoznawstwie,Instytut Materiałów In ynierskich i Biomedycznych, Politechnika l ska
ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice, Poland
W pracy przedstawiono wyniki symulacji komputerowej wpływu temperatury pieca
pró niowego i odległo ci próbek od tarczy magnetronowej na twardo powłok PVD. Do
bada symulacyjnych zastosowano model matematyczny opracowany przy wykorzystaniu
metody regresji wielokrotnej.
1. WPROWADZENIE
Szybki rozwój współczesnej nauki i techniki stawia stale rosn ce wymagania
wykorzystywanym materiałom. Zastosowanie nowych materiałów wi e si bezpo rednio z
ich własno ciami, a bardzo cz sto z własno ciami ich warstw powierzchniowych. Jedn z
wa niejszych i najcz ciej stosowanych metod kształtowania własno ci warstwy
powierzchniowej jest nakładanie powłok w procesie PVD. Zmiany st enia pierwiastków
mi dzyw złowych w powłokach PVD, zale nie od temperatury procesu, rozpylania
magnetronowego oraz umiejscowienia próbek wzgl dem tarczy magnetronu, umo liwiaj
regulowanie struktury powłok, ich twardo ci i przyczepno ci do podło a, a w wyniku tego
własno ci eksploatacyjne [1].
Celem pracy jest opracowanie zale no ci opisuj cej wpływ składu atmosfery roboczej,
temperatury procesu oraz odległo ci próbek od tarczy magnetronu na twardo powłok
Ti+Ti(CxN1-x). W pracy przedstawiono wybrane przykłady uzyskanych wyników.
2. PRZEBIEG BADA
Badania wykonano na próbkach ze spiekanej stali szybkotn cej typu ASP 30 zawieraj cej
1,28% C, 4,2% Cr, 5,0% Mo, 6,4% W, 3,1% V i 8,5% Co. Próbki obrobiono cieplnie zgodnie
z prac [2]. Nast pnie próbki wprowadzono do jednokomorowego pieca pró niowego z
wbudowanym magnetronem do rozpylania jonowego. Próbki wprowadzone do pieca
pró niowego rozmieszczano w trzech odległo ciach od tarczy magnetronu, wynosz cych
* Autorzy uczestnicz w realizacji projektu CEEPUS No PL-013/03-04 kierowanego przez
Prof. L.A. Dobrza skiego.
282
L.A. Dobrza ski, A. Polok, M. Sroka, W. Kwa ny
odpowiednio: 70, 95 i 125 mm. Proces nanoszenia warstwy powierzchniowej realizowany był
w trzech temperaturach, wynosz cych odpowiednio: 440, 500 i 560 oC i przy ró nych
st eniach N2 i CH4 w komorze pieca.
Dla celów analizy komputerowej wykorzystano wyniki bada własno ci mechanicznych
dwuwarstwowych powłokach Ti+Ti(CxN1-x), które zestawiono w tablicach 1-3. Na podstawie
otrzymanych wyników, wyznaczono model matematyczny, do powstania którego
wykorzystano motod regresji wielokrotnej.
HV = a0 + a1 ⋅ %N 2 + a2 ⋅ %CH4 + a3 ⋅ T + a4 ⋅ S + a5 ⋅ T ⋅ S + a6 ⋅ %N 2 ⋅ %CH4 ⋅ T + a7 ⋅ T 2 + a8 ⋅ S 2
+ a9 ⋅ ((%N 2 ⋅ S ) 2 ) ⋅ T + a10 ⋅ %N 2 ⋅ T ⋅ S + a11 ⋅ %N 2 ⋅ %CH4 ⋅ T ⋅ S + a12 ⋅ %N 2 ⋅ T + a13 ⋅ %CH4 ⋅ T
+ a14 ⋅ %N 2 ⋅ T + a15 ⋅ %CH4 ⋅ S + a16 ⋅ %N 2 ⋅ S + a17 ⋅ (%CH4 ⋅ S ) 2
gdzie:
(1)
H – twardo powłoki,
%X – st enie masowe odpowiedniego pierwiastka,
T – temperatura procesu,
S – odległo próbek od tarczy magnetronu,
ai – stałe współczynniki wyznaczone do wiadczalnie.
Tablica 1.
Zestawienie wyników pomiaru twardo ci w zale no ci od składu atmosfery roboczej,
temperatury procesu i odległo ci próbek od tarczy magnetronu.
Skład atmosfery [%]
N2
CH4
Temperatura
procesu [oC]
Odległo
440
25
75
500
560
próbki od tarczy
[mm]
125
95
70
125
95
70
125
95
70
Twardo
[HV 0,05]
2900
2950
2840
3240
2950
2850
3180
3210
3040
Tablica 2.
Zestawienie wyników pomiaru twardo ci w zale no ci od składu atmosfery roboczej,
temperatury procesu i odległo ci próbek od tarczy magnetronu.
Skład atmosfery [%]
N2
CH4
Temperatura
procesu [oC]
440
50
50
500
560
Odległo
próbki od tarczy
[mm]
125
95
70
125
95
70
125
95
70
Twardo
[HV 0,05]
3801
3290
3200
2900
2490
2220
2680
2610
2310
283
Symulacja komputerowa wpływu warunków nanoszenia...
Tablica 3.
Zestawienie wyników pomiaru twardo ci w zale no ci od składu atmosfery roboczej,
temperatury procesu i odległo ci próbek od tarczy magnetronu.
Skład atmosfery [%]
N2
CH4
Temperatura
procesu [oC]
Odległo
440
75
25
500
560
próbki od tarczy
[mm]
125
95
70
125
95
70
125
95
70
Twardo
[HV 0,05]
3620
3310
2680
3490
3020
2530
3110
2840
2910
Dla sprawdzenia poprawno ci uzyskanych wyników i wyznaczonego równania (1), model
matematyczny, został poddany weryfikacji. Proces weryfikacji polegał na wprowadzeniu
kolejnych parametrów technologicznych, na podstawie których wyliczono mikrotwardo
analizowanych powłok. Wyliczona twardo została porównana (rys.1-3) z wynikami bada
eksperymentalnych opisanych w pracy[2]. Weryfikacja modelu matematycznego wykazała,
e mo liwe jest uzyskanie dokładno ci pomiarowej do 100HV.
2750
4000
, HV
Twardo
Twardo
, HV
3500
2500
2250
3000
2500
2000
2000
70
95
Odległo
HV zmierzone
125
, mm
70
95
Odległo
HV obliczone
Rys.1 Porównanie wyników symulacji
komputerowej z wynikami bada
eksperymentalnych powłok
Ti+Ti(CxN1-x), uzyskanych w 560 oC
przy atmosferze zawieraj cej 50% N2
i 50% CH4
HV zmierzone
125
, mm
HV obliczone
Rys.2 Porównanie wyników symulacji
komputerowej z wynikami bada
eksperymentalnych powłok
Ti+Ti(CxN1-x), uzyskanych w 440 oC
przy atmosferze zawieraj cej 75% N2
i 25% CH4
284
L.A. Dobrza ski, A. Polok, M. Sroka, W. Kwa ny
Rys.3 Porównanie wyników symulacji
komputerowej z wynikami bada
eksperymentalnych powłok
Ti+Ti(CxN1-x), uzyskanych w 500 oC
przy atmosferze zawieraj cej 25% N2
i 75% CH4
3500
Twardo
, HV
3250
3000
2750
2500
70
95
Odległo
HV zmierzone
125
, mm
HV obliczone
3. PODSUMOWANIE
W pracy przedstawiono opracowany przy wykorzystaniu regresji wielokrotnej model
matematyczny, umo liwiaj cy obliczania twardo ci powłok Ti+Ti(CxN1-x), uzyskanych w
procesie PVD. Wyniki symulacji komputerowej spełniaj zało one kryteria, co pozwala
przypuszcza o przydatno ci modelu do oceny wpływu parametrów technologicznych i
składu atmosfery roboczej na twardo powłok PVD. Prowadzone s prace zmierzaj ce do
opracowania metodyki modelowania uwzgl dniaj cej pełen zakres parametrów
technologicznych.
LITERATURA
1. L.A. Dobrza ski: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. Materiały in ynierskie
z podstawami projektowania materiałowego, WNT, Warszawa, 2002
2. L.A. Dobrza ski, W. Kwa ny, R.Shishkov, J. Madejski: Jurnal of Materiale Processing
Technology, (2001) v.113, s.493-501
3. L.A. Dobrza ski, W. Kwa ny, Z. Brytan: 11th International Scientific Conference AMME
2002,s103-108
4. L.A. Dobrza ski, W. Kwa ny, A. K iž, R.Shishkov: Proceedings of the Scientific
Conference on the occasion of the 55th Anniversary of the Faculty of Mechanical
Engineering of the Silesian University of Technology in Gliwice, (200),s. 135.