1.1 Povrchy povlaků - mikrogeometrie

Transkript

1 1.1 Povrchy povlaků - mikrogeometrie Požadavky na povrchy povlaků [24] V případě ocelových plechů je kvalita povrchu povlaku určována zejména stavem povrchu hladících válců při finálních úpravách v hutích. Povrch plechu musí být vytvářen tak, aby splňoval tyto požadavky: schopnost přijímat mazivo morfologie povrchu nesmí umožňovat odtékání maziva během tváření nesmí dojít k nárůstu oblastí, kde jsou třecí plochy v přímém styku nesmí docházet k odtržení filmu vytvořeného na povrchu mazivem Specifické vlastnosti bude mít povrchová vrstva u plechů s ochrannými povlaky na bázi zinku nebo jeho slitin. Zde bude totiž o kvalitě stavu povrchu rozhodovat také druh a způsob nanášení povlaku. U těchto plechů musíme počítat s výraznou změnou řady vlastností, což se do značné míry projeví např. na morfologii povrchu, mikrotvrdosti povrchové vrstvy. Tyto změny ovlivní především třecí poměry v tribologických systémech a tím i vlastní tvářecí proces Geometrické vlastnosti povrchů [25, 26, 27, 28] Z důvodu kvalitní operace tažení je důležité, aby ochranný povlak měl potřebnou geometrii a rozměrové parametry. Nároky na kvalitu povrchu plechů určených pro další zpracování stoupají, geometrické a rozměrové parametry se zpřísňují. Jedním z důležitých parametrů povrchu plechu je jeho mikrogeometrie, tu můžeme ovlivnit vytvořením zvláštního typu morfologie na povrchu plechů. Mikrogeometrie povrchu na jedné straně prostřednictvím tribologických podmínek ovlivňuje proces lisování, na druhé straně určuje vzhled povrchu karosérie automobilu po lakování. Pro výrobce automobilů jsou charakteristické stále se zvyšující nároky na mikrogeometrii povrchu. V současnosti není technologicky možné a často ani žádoucí vyrobit ideálně rovné a hladké povrchy, vyrobené technické povrchy mají odchylky tvaru, polohy a drsnosti. Na obr je znázorněno schéma geometrických odchylek od ideálně hladkého povrchu v řezu, kde 1-ideálně rovný povrch, 2-odchylky tvaru a polohy, 3-vlnitost povrchu,4-mikroskopické drsnosti, 5-submikroskopické nerovnosti. Na obr je znázorněn plošný rozdíl mezi obrysovou plochou styku S c (S c =a b) a skutečnou plochou styku S r (viz.kapitola 4.1., rovnice 41), kde se setkávají výčnělky povrchů dvou dotýkajících se těles.

2 Jak je z výše uvedeného patrné, geometrie povrchu je pro zpracování plechů velmi důležitým parametrem, z toho důvodu má svůj význam v oblasti hodnocení povrchů následující kapitola. Obr.3.11.: Schématické znázornění geometrie povrchu v řezu [27] Obr.3.12.: Znázornění rozdílu styku skutečné plochy a obrysové plochy povrchu [28] Hodnocení geometrie povrchu ve 2D [29] Tribologické procesy tření probíhají ve vrstvách, které vytvářejí povrch dotýkajících se těles. Povrch třecích těles, jako prvků tribologického systému, musí mít určité geometrické, fyzikální, chemické a další vlastnosti, které jsou souhrnně vyjádřeny jako kvalita povrchu. Jedním ze základních způsobů hodnocení kvality povrchu je měření drsnosti povrchu. Drsnost povrchu je určována ze sledované plochy povrchu a je pak většinou charakterizována pomocí normou daných veličin (DIN EN ISO 4287). Základní parametry drsnosti sloužící pro hodnocení povrchu jsou popsány v následujícím textu: 1 - Profil povrchu Dvoudimenzionální profil povrchu získaný drsnoměrem je vidět na obr.3.13., kde jsou vyjádřeny hodnoty měřených veličin: Pt-hloubka profilu

3 Wt-hloubka vln Rt-nejvyšší hloubka drsnosti Obr.3.13.: Profil povrchu 2 - Měřené délky - mezní vlnové délky Schematické vyjádření měřených délek je na obr Obr.3.14.: Schematické vyjádření měřených délek 3 - Maximální výška profilu Rz Schematické vyjádření maximální výšky profilu Rz je vidět na obr Obr.3.15.:Schematické vyjádření maximální výšky profilu Rz

4 4 - Střední aritmetická hodnota drsnosti Ra Střední aritmetická hodnota drsnosti Ra je definována vztahem 1 lr Ra = Z(x) dx (33) lr 0 Schematické vyjádření střední aritmetické hodnoty drsnosti je vidět na obr Obr.3.16.:Schematické vyjádření střední aritmetické hodnoty drsnosti Ra 5 - Střední kvadratická hodnota drsnosti Rq Střední kvadratická hodnota drsnosti Rq je dána vztahem lr 1 2 Rq = Z (x)dx (34) lr 0 Schematické znázornění střední kvadratické hodnoty drsnosti Rq je vidět na obr Obr.3.17.: Schematické znázornění střední kvadratické hodnoty drsnosti Rq 6 - Počet výstupků RPc Počet výstupků RPc dle zkušebního listu STAHL-EISEN SEP 1940 je počet výstupků P na 10mm vztažené délky. Pro vyhodnocení je třeba zadat hladiny řezu C 1, C 2. Schematické znázornění počtu výstupků RPc je vidět na obr

5 Obr.3.18.: Schematické znázornění počtu výstupků RPc. 7 - Veličiny nosného podílu Veličiny nosného podílu se určují dle DIN EN ISO a význam jednotlivých určovaných veličin je zřejmý z obr , kde Rk - základní hloubka, hloubka profilu jádra drsnosti (zóna s největším nárůstem podílu materiálu nad určitou hodnotu), Rpk redukovaná výška špiček, Rvk redukovaná hloubka rýh, Mr1 podíl materiálu nad profilem jádra, Mr2 podíl materiálu pod profilem drsnosti. Obr.3.19.: Veličiny nosného podílu 8 - Materiálový podíl drsnosti profilu Rmr(c) Materiálový podíl drsnosti profilu Rmr(c) se určuje dle DIN EN ISO 4287 a vyjadřuje percentuální podíl součtu délek materiálových přímek Ml(c) v dané výšce profilu k měřené délce ln a je dán vztahem n 100 Ml(c) Rmr (c) = Mli (c) = (35) ln ln i= 1 Křivka podílu materiálu udává pak podíl materiálu jako funkci hladiny (výšky) řezu a je vidět na obr

6 Obr.3.20.: Křivka materiálového podílu drsnosti povrchu 9 - Abbottova křivka Pro sestrojení Abbottovy křivky je pak možné použít percentuálního podíl součtu materiálových ploch v dané výšce profilu k celkové měřené ploše. Tvar profilu se dá popsat pomocí nosného podílu trigonometrického bodu dle DIN 4762, popř. dle průběhu v závislosti na hloubce řezu. Z profilogramu získanou křivku položíme sítí rovnoběžek obr.3.21a a získáme údaje pro sestrojení Abbottovy nosné křivky, jak je znázorněno na obr.3.21b. Tato křivka poskytuje všechny ostatní hodnoty drsnosti, ale jen pro uvažovaný tvar řezu. Pro povrchy s orientovanou drsností jsou takto vytvořeny pouze reprezentativní výpovědi jednotlivých tvarů řezů. Nemožnost popsání jednotlivých tvarových reliéfů povrchu je nevýhoda použití této Abbottovy křivky. a) Položené sítě rovnoběžek na profilogram b) Grafické sestrojení nosné Abbottovy křivky

7 Obr.3.21.: Sestrojení Abbottovy křivky [28] Prostorová Abbottova křivka [30] Tato křivka vzniká na základě řezů pro popis parametrů povrchu plechů ve 3D a je určena z řezných povrchových podílů topografie a vypočítána z prostorových souřadnic reliéfu. Důležité jsou ekvidistantní řezy, to jsou povrchové řezy rovinami, které leží k nějakému nerovnostnímu reliéfu plochy dotýkající se roviny. Prostřednictvím takovýchto řezů je z povrchu sečnou oddělen řeznou plochou ohraničený kus materiálu. Prostorová Abbottova křivka se získá jako podíl ploch na celkovou plochu řezné roviny, což je podíl řezné plochy. Ani samotná prostorová Abbottova křivka bohužel nepostačuje k jednoznačné charakteristice povrchové topografie, jak zřejmé z obr Zde je pro dva různé typy povrchové topografie provedeno několik rovnoběžných řezů, součet všech povrchových podílů je pro oba povrchy každé řezné roviny stejný. Předpokládaným výsledkem pro tyto obě zcela odlišné povrchové struktury jsou stejné průběhy Abbottovy křivky, jak je parné z obr Obr.3.22.: Dvě odlišné struktury povrchu se stejnou Abbottovou křivkou Povrchová topografie musí být na základě dalších veličin přesně specifikována, neboť Abbottova křivka poskytuje ostatní hodnoty charakteristiky povrchu pouze pro uvažovaný tvar řezu. Na obr jsou pro názornost uvedeny čtyři viditelně odlišné typy topografie povrchu, avšak jejich výsledná drsnost je shodná a odpovídá hodnotě Ra = 2μm.

8 Obr.3.23.: Čtyři typy rozdílné topografie se stejnou hodnotou drsnosti povrchu Hodnocení geometrie povrchu ve 3D [27, 31, 32, 33] Problém hodnocení povrchů je tak velmi rozsáhlý, požadavky na povrchovou strukturu plechů, které jsou charakterizovány obvyklými parametry (viz. předchozí kapitola ), nejsou již postačující. V současnosti se ukazuje, že momentálně používaná kriteria hodnocení kvality povrchu podle příslušných norem na komplexní hodnocení povrchu z tribologického hlediska nestačí. Podle těchto norem nelze hodnotit velikost styčné plochy, její změnu při zatížení, vliv technologických parametrů atd.. Na základě nových moderních metod určíme další charakteristické parametry, kterými dostatečně přesně můžeme popsat povrchové struktury plechů. Tento nový způsob umožňuje zlepšit popis tribologického chování tenkých plechů při jejich lisování a tak sledování tření a adheze. Nejdokonalejší představu o reálném povrchu s jeho plošným tvarem a výškovou nerovnoměrností je možné získat pomocí vrstevnicových map a případným axonometrickým zobrazením naměřených hodnot viz obr Obr.3.24.: Axonometrické zobrazení a vrstevnicová mapa povrchu [27]

9 Příklady takovýchto vrstevnicových map topografií pro jednotlivé typy povrchů jsou znázorněny na. obr a Obr.3.25.: Příklad povrchu plechu s texturou EDT ve 2D a 3D Obr.3.26.: Příklad povrchu plechu s texturou PRETEX ve 2D a 3D Výhodou optické metody je, že lze měřit topografii povrchu plechů ve 3D bezdotykově. Vytvoření takového trojrozměrného modelu je však časově náročné a podmiňuje nevyhnutelnost uskutečnit větší počet měření, u kterých zpracování a vyhodnocování výsledků se váže na použití počítačové techniky s nároky na drahé přístrojové vybavení. Stanovené řezy povrchové topografie jsou určující pro přesný popis povrchové struktury a vyplývají z následujících parametrů: podíl povrchů množství a velikost nosných bodů a mazacích filmů popis tvaru nosných bodů a mazacích filmů anizotropie drsnosti