Εξέλιξη δοκιμής πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης για την αξιολόγηση μηχανισμών συνάφειας και μικροαπόξεσης λεπτών σκληρών επικαλύψεων επί κοπτικών πλακιδίων και στοιχείων μηχανών

Abstract

In the frame of the present doctoral thesis the inclined impact test was developed to enable an effective assessment of the cohesion and at the same time adhesion strength of thin hard coatings. During this test, a spherical indenter impacts periodically on the coated surface under a desired maximum load at a constant impact inclination angle. The initial aim was to clarify the dominating mechanisms that act on during the coating failure initiation, by the inclined impact test. The mentioned experimental procedure is supported by a recently developed FEM simulation model that predicts the coating failure initiation, considering the mechanical properties of all materials and the adhesion strength in the coating-substrate interface. Through this model, it is possible to calculate the critical stresses in the coating and to quantify the bonding strength between the coating and the substrate as a constant of these materials compound. The inclined impact test was applied also on coated specimens in non lubricated environment, as well as on specimens of the same type and coating that were placed in lubricating emulsion. With the application of this emulsion and with the determination of appropriate experimental conditions, the diminishing of the fatigue effect from the failure mechanisms was achieved, in order to investigate exclusively the coating microabrasive behaviour. The possibility to test the coatings as deposited on bearing ring surfaces, i.e. directly on the final product, is pivotal, because the PVD process significantly affects the attained film properties and adhesion. Hereupon, the coating mechanical properties and the adhesion were investigated through the procedures based on the present doctoral thesis, in order to exhibit the application of such methodologies in a practical application that displays singularities in the conduct of the experimental procedures. Finally, especially for coatings with larger thicknesses, such as the thermal spray ones, a methodology that can quantify the coating removal rate was developed, in order to enable the direct comparison of the impact test performances of various coatings, which could be used to enhance the lifetime of parts used in specific applications.

Στα πλαίσια της παρούσας έρευνας εξελίχθηκε η δοκιμασία της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης ώστε να γίνει δυνατή μια ουσιαστική αποτίμηση της συνεκτικής και ταυτόχρονα της συναφειακής αντοχής των λεπτών σκληρών επικαλύψεων. Κατά τη δοκιμή αυτή, μια σφαίρα συνήθως σκληρομετάλλου προσκρούει επαναλαμβανόμενα στην επικαλυμμένη επιφάνεια με επιθυμητό μέγιστο φορτίο υπό σταθερή γωνία πρόσκρουσης. Αρχικά επιδιώχθηκε να αποσαφηνιστούν οι κυρίαρχοι μηχανισμοί που επιδρούν κατά την φάση της έναρξης της αστοχίας της επικάλυψης, μέσω της δοκιμασίας της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης. Η παραπάνω πειραματική μέθοδος συνοδεύεται από ένα πρόσφατα εξελιγμένο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων που προβλέπει την έναρξη της αστοχίας της επικάλυψης, στο οποίο λαμβάνονται υπόψη οι μηχανικές ιδιότητες των υπαρχόντων υλικών και η δύναμη συνάφειας στη διεπιφάνεια επικάλυψης-υποστρώματος. Μέσω αυτού, μπορούν να υπολογιστούν οι κρίσιμες τάσεις στην επικάλυψη και να ποσοτικοποιηθεί η στιβαρότητα της σύνδεσης μεταξύ επικάλυψης και υποστρώματος ως σταθερά του συστήματος των δύο υλικών. Η δοκιμή της πλάγιας επαναλαμβανόμενης κρούσης εφαρμόστηκε επίσης σε επικαλυμμένα δοκίμια σε μη λιπαινόμενο περιβάλλον, αλλά και σε πλακίδια ίδιου τύπου και επικάλυψης που βρίσκονταν μέσα σε δοχείο με υγρό λίπανσης. Με την χρήση του υγρού λίπανσης και με εκλογή κατάλληλων πειραματικών συνθηκών επιδιώχθηκε η απομόνωση της κόπωσης από τους μηχανισμούς φθοράς της επικάλυψης ώστε να μελετηθεί η συμπεριφορά της επικάλυψης αποκλειστικά στο φαινόμενο της μικροαπόξεσης. Εξαιρετικής σημασίας είναι η δυνατότητα πραγματοποίησης της πειραματικής διαδικασίας απευθείας σε δακτυλίους εδράνων κυλίσεως, καθώς η διαδικασία εναπόθεσης PVD επηρεάζει σημαντικά τις ζητούμενες ιδιότητες της επικάλυψης και τη συνάφειά της. Εν προκειμένω χρησιμοποιήθηκαν μεθοδολογίες προσδιορισμού των μηχανικών ιδιοτήτων και ελέγχου της συνάφειας της επικάλυψης που βασίζονται στην έρευνα που εμπεριέχεται στην παρούσα εργασία, ώστε να επιδειχθεί η εφαρμογή των μεθόδων σε ένα πρακτικό παράδειγμα που παρουσιάζει ιδιαιτερότητες ως προς την εκτέλεση των πειραματικών διαδικασιών. Τέλος, ειδικά για επικαλύψεις μεγάλου πάχους, όπως τις θερμικού ψεκασμού, δημιουργήθηκε μεθοδολογία η οποία μπορεί να ποσοτικοποιήσει τον ρυθμό με τον οποίο η επικάλυψη αποδομείται, ώστε να είναι δυνατή η άμεση σύγκριση της απόδοσης των διάφορων επικαλύψεων που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την αύξηση της διάρκειας ζωής εξαρτημάτων συγκεκριμένων εφαρμογών.