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