Symulacja komputerowa wpływu warunków nanoszenia na

Symulacja komputerowa wpływu warunków nanoszenia na

003
E’2
M
AM
1 2th
Symulacja komputerowa wpływu warunków nanoszenia na napr enia powłok
TiN uzyskanych w procesie PVD na spiekanej stali szybkotn cej typu ASP30*
L.A. Dobrza ski, A. liwa, 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 warunków nanoszenia
na napr enia w powłokach TiN uzyskanych w procesie PVD na spiekanej stali szybkotn cej
typu ASP30. Ponadto przedstawiono zale no
miedzy mikrotwardo ci powłok TiN
wyznaczon eksperymentalnie a napr eniami symulowanymi. Do bada symulacji
wykorzystano program Ansys 6.1.
1. WPROWADZENIE
Spiekane stale szybkotn ce stanowi wa n grup materiałów in ynierskich. Materiały te s
cz sto wykorzystywane na wykrojniki, do przetwórstwa materiałów polimerowych oraz na
wieloostrzowe narz dzia skrawaj ce o zło onej geometrii ostrzy. Znaczne podwy szenie
twardo ci ostrzy tych narz dzi w wyniku zwi kszenia własno ci trybologicznych mo na uzyska
przez pokrywanie ich technik PVD. Prowadzone prace badawcze wykazuj , e jest to główny
kierunek w rozwoju narz dzi skrawaj cych, daj cy, w wyniku naniesienia powłok, mo liwo
kilkukrotnego zwi kszenia twardo ci narz dzi w porównaniu z narz dziami niepokrytymi.
Praktycznie wszystkie powłoki osadzone pró niowo wykazuj napr enia. Całkowite napr enia
zło one s z napr e cieplnych i napr e własnych. Napr enia cieplne s wynikiem ró nicy
warto ci współczynników rozszerzalno ci cieplnej powłoki i podło a, za napr enia własne s
ci le zwi zane z metod i warunkami osadzania. Metoda elementów sko czonych jest obecnie
bardzo szeroko stosowana w technice. Wszelkiego typu symulacje powoduj skrócenie procesu
projektowego oraz daj mo liwo badania wpływu poszczególnych czynników na cało
modelu. Jest to niejednokrotnie niemo liwe do wykonania w rzeczywisto ci lub nieekonomiczne.
Metoda elementów sko czonych pozwala na lepsze zrozumienie zale no ci pomi dzy ró nymi
parametrami i wybranie optymalnego rozwi zania [1, 2, 5].
W pracy zaprezentowano przykładowe wyniki przeprowadzonej symulacji komputerowej
wpływu warunków nanoszenia na napr enia powłok TiN oraz przedstawiono zale no mi dzy
mikrotwardo ci powłok TiN wyznaczon eksperymentalnie a napr eniami symulowanymi
wyst puj cymi w tych powłokach.
* Autorzy uczestnicz w realizacji projektu CEEPUS No PL-013/03-04 kierowanego przez
Prof. L.A. Dobrza skiego.
286
L.A. Dobrza ski, A. liwa, W. Kwa ny
2. BUDOWA MODELU
Badania i symulacj komputerow wykonano na próbkach wykonanych, ze spiekanej stali
szybkotn cej typu ASP30, pokrytych powłok TiN w procesie PVD zgodnie z wynikami prac
[3,4]. Symulacje komputerow przeprowadzono w rodowisku ANSYS 6.1, przy
wykorzystaniu metody elementów sko czonych [6].
Do budowy modelu przyj to kształt płytki
pokrytej powłok TiN. Tak sformułowany model
podzielono na siatk elementów sko czonych.
Składa si on z 391 w złów i 1110 sko czonych
elementów. Podczas symulacji zostały u yte
elementy SHELL 63 dla powłoki i SOLID 45 dla
podło a, s to elementy trójwymiarowe 8-w złowe (sze ciany). Model geometryczny badanej
powłoki z nało on siatk elementów sko czonych przedstawiono na rysunku 1. Parametry
nanoszenia i uzyskane wyniki pomiaru własno ci
mechanicznych oraz składu chemicznego powłok
Rys. 1. Model obliczeniowy napr e powłoki wykorzystanych do symulacji komputerowej
przedstawiono w tablicy 1.
z nało on siatk elementów sko czonych.
550
500
440
46,7
47,9
48,8
49,1
48,1
48,1
47,1
48,1
52,2
41,0
44,7
42,0
43,6
46,9
46,7
39,0
35,9
34,5
5,6
7,3
7,7
3,0
2,4
2,8
12,2
12,8
10,2
0,26
0,26
0,26
0,26
0,26
0,26
0,26
0,26
0,26
3,8
4,0
3,65
3,8
3,55
3,55
4,4
4,15
3,5
1750
2200
1600
1750
1450
1450
3300
2500
1400
Napr enia
symulowane
[MPa]
2,3
3,8
6,1
2,2
3,7
5,0
4,7
6,7
10,0
Al
[%]
Mikrotwardo
[HV]
125
95
70
125
95
70
125
95
70
N
[%]
Moduł Younga
[GPa]
Ti
[%]
Własno ci mechaniczne
Stała Poisona
Grubo powłoki
[ m]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
St enie atomowe
pierwiastków
Odległo próbki od
tarczy magnetronu
[mm]
Numer symulacji
symulacji.
Temperatura procesu
[°C]
Tablica 1
Charakterystyka badanych powłok TiN
573
560
595
580
610
610
511
540
625
3. WYNIKI SYMULACJI
Wyniki symulacji zostały przedstawione jako mapy rozkładów napr e w powłokach
TiN. Uzyskane warto ci napr e symulowanych przedstawiono w tablicy 1. W postaci
wykresów przedstawiono zale no mi dzy mikrotwardo ci powłok TiN wyznaczon
eksperymentalnie a napr eniami symulowanymi. Na rysunkach 2-5 przedstawiono przykładowe mapy rozkładu napr e w powłokach TiN.
287
Symulacja komputerowa wpływu warunków nanoszenia...
Rys. 2. Wynik symulacji napr e powłoki TiN dla Rys. 3. Wynik symulacji napr e powłoki TiN dla
1-charakterystyki
3-charakterystyki
2500
540
2000
520
1500
500
480
460
1000
500
Napr enia symulowane
Mikrotwardo powłoki
560
500
440
0
Temperatura procesu [°C]
Rys. 6. Zale no
mi dzy mikrotwardo ci
powłok a napr eniami symulowanymi (odległo próbek od tarczy 125mm) .
620
3000
600
2500
580
2000
560
1500
540
520
500
1000
500
Napr enia symulowane
Mikrotwardo powłoki
560
500
440
Mikrotwardo powłoki
[HV]
3500
3000
Napre enia symulowane
[MPa]
Napre enia symulowane
[MPa]
600
580
560
Mikrotwardo powłoki
[HV]
Rys. 4. Wynik symulacji napr e powłoki TiN dla Rys. 5. Wynik symulacji napr e powłoki TiN dla
7-charakterystyki
9-charakterystyki
0
Temperatura procesu [°C]
Rys. 7. Zale no
mi dzy mikrotwardo ci
powłok a napr eniami symulowanymi (odległo próbek od tarczy 95mm).
Na rysunkach 6-8 przedstawiono zale no
mi dzy mikrotwrdo ci powłok TiN
wyznaczon eksperymentalnie a napr eniami symulowanymi wyst puj cymi w tych
powłokach dla ró nych odległo ci próbek od tarczy magnetronu.
288
1650
1600
1550
630
620
610
1500
600
1450
590
580
1400
1350
Napr enia symulowane
Mikrotwardo powłoki
560
500
440
1300
Mikrotwardo powłoki
[HV]
Napre enia symulowane
[MPa]
L.A. Dobrza ski, A. liwa, W. Kwa ny
Rys. 8. Zale no mi dzy mikrotwardo ci
powłok a napr eniami symulowanymi
(odległo próbek od tarczy 70mm)
Temperatura procesu [°C]
Na podstawie powy szych wykresów mo na stwierdzi , e zachodzi korelacja mi dzy
mikrotwardo ci powłok wyznaczon eksperymentalnie a napr eniami symulowanymi.
Wzrostowi mikrotwardo ci towarzyszy spadek napr e rozci gaj cych. Korelacja ta jest
zgodna z wynikami przedstawionymi w pracy [5].
4. PODSUMOWANIE
Maj c dane dotycz ce własno ci materiału rodzimego i powłoki mo na wyznaczy rozkład
napr e w powłoce przy pomocy metody elementów sko czonych. Na podstawie
przeprowadzonej symulacji stwierdzono istotny wpływ grubo ci powłoki i temperatury
procesu na napr enia powłok. Podnosz c temperatur procesu napr enia rozci gaj ce
wzrastaj , natomiast wzrostowi grubo ci warstwy towarzyszy spadek napr e
rozci gaj cych. Metoda elementów sko czonych dzi ki rosn cej mocy obliczeniowej i
zwi zanej z tym coraz dokładniejszym opisem matematycznym zjawisk fizycznych pozostaje
nieocenion pomoc w badaniach i produkcji.
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, Z. Brytan: 11th International Scientific Conference AMME
2002, s103-108.
3. L.A. Dobrza ski, W. Kwa ny, R.Shishkov, J. Madejski: Jurnal of Materiale Processing
Technology, (2001) v.113, s.493-501.
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, (2000), s. 135-142.
5. M Kupczyk. Jako
technologiczna i u ytkowa ostrzy skrawaj cych z powłokami
przeciwzu yciowymi. Pozna 1997.
6. S. Łaczek: Wprowadzenie do systemu elementów sko czonych ANSYS. Wydawnictwo
Politechniki Krakowskiej, Kraków 1999.