Je leest:

Slijtgedrag van keiharde laagjes

Slijtgedrag van keiharde laagjes

Auteur: | 1 juni 1999

Een freesbeitel moet keihard, taai, slijtagebestendig en zelfsmerend zijn. Hoogwaardig staal voldoet niet meer. Een keramische coating maakt het snijgereedschap van nu harder dan hard. De KU Leuven onderzocht als eerste tot op het atoom hoe het met de slijtage van die coatings is gesteld.

De David was tot in het kleinste detail reeds aanwezig. Elk spiertje, elke nuance van zijn gezicht, zijn serene blik, gericht op Goliath – dat alles zat al in het gigantische blok marmer. Michelangelo wachtte slechts de nederige taak het overtollige marmer weg te halen om David in zijn volle glorie tevoorschijn te laten komen. Dezelfde simpele klus is weggelegd voor de hedendaagse metaalbewerker. De exacte vorm van de precisie-onderdelen zit al in dat blok hoogwaardig staal. Het gaat er slechts om het overtollige staal weg te halen.

Verspanen – dat is de term die de industriële beeldhouwers gebruiken. Zoals de spaanders bij de houthakker om de oren vliegen, zo verspaant de metaalbewerker het overtollige staal, om het gewenste machineonderdeel tot op de micrometer nauwkeurig over te houden. Hij plaatst het staalblok nauwkeurig in de freesbank. Plexiglas afschermkappen gaan dicht, de bank komt op toeren. Een hoog gierend geluid weerklinkt en wordt direct overstemd door het snerpende snijgeluid van de freesbeitel, die het staalblok gewelddadig maar met uiterste precisie ontdoet van zijn teveel.

Snelstaal

Freesbeitels, boren en ander snijgereedschap: het moet keihard zijn. Om flink productie te draaien, moet het toerental van de machines omhoog. Slijtage is ongewenst, de machines moeten zo weinig mogelijk stilstaan en de hoge nauwkeurigheid mag niet lijden onder vormveranderingen van het snijgereedschap.

Het klassiek gebruikte snelstaal, een speciale legering, behoudt zijn hardheid tot ongeveer 650ºC. Dat is voor de huidige toepassingen te weinig. De hogere toerentallen leiden tot een steeds sterkere warmteontwikkeling aan de punt van het snijgereedschap. Een hoge temperatuur is echter funest voor de hardheid en de slijtagebestendigheid van de snelstalen beitel.

Bovendien leidt de bezorgdheid voor het milieu tot de wens om koel- en smeermiddelen zoveel als mogelijk uit te bannen. Het snijgereedschap van vandaag moet tegemoet komen aan zulke eisen. Het is keihard, zeer taai, zeer slijtagebestendig én zelfsmerend, en het behoudt die eigenschappen bij hoge temperaturen.

Keramische deklagen

De toonaangevende ontwikkeling van begin jaren tachtig was het combineren van de twee beste: een snelstalen kern die taai is, een deklaag van het keiharde titaannitride (TiN). Titaannitride is een keramisch materiaal en is hard, slijtagebestendig en kan zeer hoge temperaturen aan. De keramische deklagen leidden tot een verdrievoudiging van de levensduur (de standtijd) van het snijgereedschap.

Er zijn talloze manieren om snelstaal van keramische deklagen te voorzien. Er is de keus tussen diverse opdampprocessen en men kan een enkele laag of meerdere lagen toepassen.

Frezen, boren en snijden vinden in wisselende omstandigheden plaats. De slijtagebestendigheid van de deklaag hangt sterk af van de manier waarop hij wordt aangebracht. Door een beetje te spelen met de procesparameters kun je deklagen maken die hemelsbreed verschillen in structuur én in eigenschappen.

Onder normale omstandigheden is de TiN-deklaag bijvoorbeeld goudkleurig, zeer glad en goed bestand tegen slijtage. Een kleine verandering van het opdampproces van de laag leidt tot een korrelige structuur en een bruine kleur, en een waardeloze deklaag. Bij aanvang van een simpele slijtagetest is deze bruine laag direct doorgesleten.

Om het beste van het beste te maken, volstaat het niet om zomaar eens wat uit te proberen. Het microscopische slijtmechanisme moet blootgelegd. Pas dan kunnen we gericht zoeken naar het optimale. In Leuven, bij het departement Metaalkunde en Toegepaste Materiaalkunde, doen we zulk onderzoek. Wij staan de moderne Michelangelo’s terzijde, in hun hang naar optimaal snijgereedschap.

Het resultaat van een frettingexperiment, waarbij een contactpunt trilt tegen een deklaag van titaannitride. De grafieken tonen de gemeten wrijvingsweerstand in de loop van het aantal trilcycli bij drie waarden van de luchtvochtigheid. De slijtagedeeltjes bij de hoge wrijvingsweerstand blijken een geheel andere structuur te vertonen dan die bij een lage wrijvingsweerstand.

Fretting

Eind jaren tachtig begonnen we in Leuven met slijtageonderzoek naar de keramische deklagen. De grafiek in de afbeelding is het resultaat van een _fretting_proef. Bij fretting gaat het om een heen-en-weergaande beweging van een contact tegen een deklaag, opgewekt door trillingen. In de drie frettingproeven in de grafiek gaat het om een aluminiumoxide kogel tegen een deklaag van titaannitride.

In alle drie de proeven bedraagt de omgevingstemperatuur 20ºC; het enige verschil bestaat in de vochtigheid van de lucht. Die is voor de proeven respectievelijk 10, 50 en 85 procent. In droge lucht blijkt de wrijvingskracht tussen kogel en deklaag maar liefst vijf keer zo hoog te zijn als in vochtige lucht. Dat betekent dat er bij vochtige lucht een compleet ander microscopisch mechanisme aan het werk is als bij droge lucht. Dat mechanisme willen we begrijpen.

De eerste stap is om te achterhalen wat voor slijtagestof er vrijkomt. De structuur van de slijtagedeeltjes (het débris, zoals we het stof noemen) wordt namelijk bepaald door het mechanisme dat op microscopische schaal verantwoordelijk is voor de slijtage. Wat is de chemische samenstelling van het débris, wat is de kristalstructuur?

Transmissie-elektronenmicroscopie

Dat bleek niet eenvoudig, hoewel we toch de vraagstelling te lijf gingen met geavanceerde technieken als Ramanspectroscopie en röntgen-fotoelektronenspectroscopie. Normaal gesproken volstaan die om de typen chemische bindingen tussen de atomen te bepalen. Daaruit kunnen we dan de kristalstructuur bepalen. De resultaten van deze spectroscopische methoden bleken echter ontoereikend. We wisten nog niets.

Drie jaar geleden gooiden we het daarom over een andere boeg. Een al langer bestaande methode om onbekende kristalstructuren te lijf te gaan, is transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Daarbij schiet je een bundel elektronen dwars door een dun laagje van het onbekende materiaal heen. Elektronen hebben een veel kleinere golflengte dan licht, zodat ze gevoelig zijn voor de kleinste details in het materiaal. Details tot op de schaal van het atoom worden zo zichtbaar.

TEM kan echter meer. De echte kracht van de methode schuilt in de combinatie van detectiemogelijkheden. Het beeld dat TEM levert, geeft de microstructuur en de deeltjesgrootte van het débris. Diffractie van de elektronen geeft tegelijkertijd de kristalstructuur van het débris, van zelfs één enkel slijtagedeeltje. Weer andere analysetechnieken geven de mogelijkheid om in de microscoop zelf de chemische samenstelling van het stof te achterhalen.

Dunne coupes

Dat maakt de TEM-methode bijzonder geschikt om onbekende kristalstructuren te ontrafelen. Toch was dat op het vakgebied van wrijving en slijtage zelden geprobeerd. De reden daarvoor is dat onderzoekers in het vakgebied zich voorheen vooral richtten op het macroscopische slijtagegedrag van de deklagen en niet op de microscopische eigenschappen van de slijtagedeeltjes. Bovendien steekt er een moeilijkheid de kop op: de TEM-methode werkt alleen met extreem dunne plakjes.

TEM werkt namelijk met een elektronenbundel die door het materiaal heen valt. De stof moet dus transparant zijn voor elektronen, maar het débris absorbeert juist elektronen. De enige mogelijkheid is om er zeer dunne coupes van te snijden, met een dikte van slechts vijftig nanometer, zonder dat de materiaalstructuur tijdens het snijden verandert. Voor hoge-resolutie-TEM mogen de coupes zelfs niet dikker zijn dan twintig nanometer, wat correspondeert met een laag van slechts enkele tientallen atomen dik.

Ultramicrotoom

Zo kom je als materiaalfysicus in de medische wereld terecht. Biologen en medici doen microscopisch werk waarvoor ze dunne coupes van bijvoorbeeld weefsels moeten snijden. Voor onderzoek met een elektronenmicroscoop moeten die weefselcoupes extreem dun zijn. Daarvoor gebruiken ze een ultramicrotoom, een soort snijbankje. Zo’n ultramicrotoom hebben we aangeschaft om er dunne laagjes van een slijtagedeeltje mee te kunnen snijden.

Deze TEM-opname betreft slijtagedeeltjes van een slijtageproef bij een luchtvochtigheid van 10%. De heldere vlek in het midden is het deel van de bundel dat ongehinderd door de coupe heenvalt (de directe bundel). De halo – de brede circel – verklapt dat het materiaal amorf is.

Daartoe brengen we een capsule met vloeibaar epoxyhars aan over de deklaag met het débris. Aan de hars voegen we harders toe, die ervoor zorgen dat de hars uithardt als we de capsule in een oven zetten. De slijtagedeeltjes komen zo in een blokje hars te zitten. Met een diamantmesje snijden we dan de coupes uit de hars. Vijftig nanometer is daarmee haalbaar, we snijden de coupes zonder dat de materiaalstructuur van de slijtagedeeltjes verandert.

De slijtagedeeltjes op deze TEM-opname zijn ontstaan bij een slijtageproef met een luchtvochtigheid van 85%. De foto toont rond de halo scherpe ringen die wijzen op een geordende rangschikking van de atomen. Bij een luchtvochtigheid van 85% zijn de slijtagedeeltjes dus gedeeltelijk kristallijn en gedeeltelijk amorf.

De resultaten van de transmissie-elektronenmicroscoop tonen direct de invloed van de luchtvochtigheid op de slijtagedeeltjes. De beide TEM-opnamen corresponderen met de débris van de slijtagetest in een luchtvochtigheid van respectievelijk tien en 85%. Het zijn deze opnamen die een geoefend oog vertellen welke structuur de slijtagedeeltjes hebben.

Een helderveldopname van débris uit een slijtageproef bij een luchtvochtigheid van 10%. De opname toont amorf materiaal.

Beide opnamen tonen een helderwitte vlek in het midden. Dat is het gedeelte van de elektronenbundel dat de coupe ongehinderd passeert. De overige lichte delen van de opname zijn elektronen die bij het passeren van de coupe zijn afgebogen. Als de slijtagedeeltjes kristallijn zijn, liggen de atomen regelmatig gerangschikt in een kristalstructuur. De afgebogen elektronen interfereren dan op een regelmatige manier met elkaar. Dat geeft aanleiding tot scherpe, heldere cirkels.

Als het materiaal amorf is, liggen de atomen wanordelijk gerangschikt. De enige ordening die in dat geval aanwezig is, bestaat slechts op korte afstanden. De hoeken die de atoombindingen met elkaar maken, variëren in amorf materiaal ongeveer tien procent, de afstand tussen naburige atomen niet meer dan één procent. Op grotere lengteschalen is de ordening echter zoek, zodat er in de TEM-afbeelding geen scherp gedefinieerde cirkels ontstaan. In plaats daarvan toont de afbeelding een halo, een relatief brede, heldere ring.

De conclusie moet zijn dat de opname een débrisstructuur toont die tweefasig is: We zien een halo en tevens scherp gedefinieerde ringen. De halo wijst op een amorfe fase, de ringen op een kristallijnen fase. Op de foto die uitsluitend de halo toont, is het materiaal geheel amorf.

Een helderveldopname van débris uit een slijtageproef bij een luchtvochtigheid van 85%. De structuur van de opname is korrelig. De korrels corresponderen met nanokristallen, die een grootte van ongeveer vijf nanometer hebben.

De volgende stap in de analyse zetten we aan de hand van TEM-foto’s van het débrisoppervlak. Geen interferentie van elektronen dit keer, maar een zogenaamde helderveldopname van het oppervlak. Die opnamen laten zien dat het kristallijnen gedeelte van het débris bestaat uit nanokristallen. De slijtagedeeltjes bestaan uit een verzameling zeer kleine kristallen, met een doorsnede van slechts ongeveer vijf nanometer.

De luchtvochtigheid heeft dus zijn weerslag op de structuur van de slijtagedeeltjes. Een lage luchtvochtigheid correspondeert met een hoge wrijvingsweerstand en amorf débris, een hoge luchtvochtigheid met tweefasig débris, half amorf, half nanokristallijn.

De wrijvingsweerstand is in dat geval laag. Die bevinding is de eerste stap naar een verklaring. Onze hypothese is dat de lage wrijvingsweerstand wordt veroorzaakt door de nanokristallen, of meer precies: door de grenzen tússen de nanokristallen. Het grensvlak tussen twee kristallen heet een korrelgrens. De kristallen zelf zijn stevig, hun korrelgrenzen zijn dat niet.

Binnen het kristal zijn de atomen met een optimaal aantal bindingen stevig aan elkaar gekoppeld. Over de korrelgrenzen heen vinden de atomen echter niet het optimale aantal bindingen, omdat de kristalstructuren daar niet op elkaar passen. Daarom glijden de kristallen over de korrelgrenzen gemakkelijk langs elkaar, wat aanleiding geeft tot een lage wrijvingsweerstand. Amorf materiaal heeft geen korrelgrenzen, en biedt meer weerstand.

Contactzone

Onze aanname is dat de slijtagelaag die tijdens het experiment op de deklaag ontstaat, dezelfde structuur heeft als de slijtagedeeltjes die ervan af komen. Blijkbaar levert een lage luchtvochtigheid een amorfe slijtagelaag en daarmee een hoge wrijvingsweerstand.

Opvallend is het gedrag van de wrijvingsweerstand bij een luchtvochtigheid van vijftig procent, dus tussen hoog en laag in. Daarbij ontstaat eerst amorf débris, maar na verloop van tijd veranderen de contactcondities en ontstaat nanokristallijnen débris. Mechanische belasting, luchtvochtigheid en temperatuur blijven hetzelfde, zodat het verschil moet ontstaan door de temperatuur en de microstructuur van de deklaag in de contactzone. De hoge belasting veroorzaakt defecten en scheurtjes, die op hun beurt de diffusie van zuurstof en water vergemakkelijken.

Na uitgebreid onderzoek kregen we het vermoeden dat deze factoren de oxidatiereactie aan de deklaag beïnvloeden. In de contactzone vindt een chemische reactie plaats van de deklaag met de omgevingslucht. Het gevolg van die chemische reactie is een veranderende wrijvingskracht.

Deze hypothese hebben we getest door de débrisstructuur van de metalen tin, mangaan en titaan te onderzoeken. Daaruit blijkt inderdaad dat de snelheid van de chemische reacties aan het oppervlak een grote invloed heeft op de structuur en de chemische samenstelling van de slijtagedeeltjes.

Voor het eerst hebben we in een slijtage-experiment de microscopische structuur van het débris bepaald. We vinden een sterke samenhang tussen wrijvingskracht en slijtagevolume aan de ene kant, en de structuur van het slijtagestof aan de andere kant. Michelangelo zal er niet veel meer aan hebben. Hij had ook tijd genoeg voor zijn David. De metaalbewerker van vandaag de dag heeft er echter des te meer aan.

Chemisch en fysisch opdampen

De deklagen van titaannitride worden aangebracht op de snelstalen kern door ze op te dampen. De eerste methode die daarvoor werd gebruikt, is chemical vapor deposition (CVD), een chemisch opdampproces dat plaatsvindt bij temperaturen van 550 tot 950ºC. Het titaan bevindt zich daarbij in de vorm van titaanchloride (TiCl4) als damp boven het metaaloppervlak. Onder invloed van de hoge temperatuur vindt de volgende reactie plaats: 2 TiCl4 + N2 + 4 H2 → 2 TiN + 8 HCl

Zo ontstaat een regelmatige laag van vast titaannitride (TiN) en gasvormig waterstofchloride. Het nadeel van CVD is de hoge temperatuur, die structuurveranderingen in het snelstaal veroorzaakt.

Daarom is CVD vervangen door een fysisch opdampproces, dat niet direct is gebaseerd op chemische reacties: physical vapor deposition of PVD. Het proces verloopt bij een temperatuur van 300 tot 400ºC in een hoog vacuüm (20 millipascal). Stikstof is aanwezig als reactiegas.

Het titaan wordt in smeltkroezen gesmolten. De vrijkomende damp is zeer ijl en condenseert, bijna atoom voor atoom, op het staaloppervlak. Titaan en stikstof reageren bij PVD pas als ze op het oppervlak zijn aangeland. Zo ontstaat een zeer regelmatige coating van titaannitride.

PVD-processen leiden tot bruikbare of onbruikbare resultaten, afhankelijk van de manier waarop ze plaatsvinden. Tegenwoordig wordt de titaandamp meestal geïoniseerd. De titaanatomen raken zo elektrisch geladen, waardoor ze onder invloed van een elektrisch veld naar het metaaloppervlak worden geloodst.

Alternatieven

Het klassieke materiaal om snijgereedschap uit te vervaardigen, is snelstaal. Dat is een staalsoort met een koolstofgehalte van 0,8%, die behoorlijk forse percentages van andere elementen bevat. Snelstaal bevat bijvoorbeeld chroom, wolfraam, vanadium, kobalt en molybdeen. Het is speciaal ontwikkeld om zijn hardheid, en is prijzig vanwege de relatief grote hoeveelheden zeldzame elementen. Toch verliest het boven een temperatuur van 650ºC zijn hardheid.

Een alternatief voor snelstaal is hardmetaal, een wat misleidende naam voor gesinterde wolfraamcarbiden. Sinteren is een hoge-temperatuurbehandeling: de wolfraamcarbiden zijn een poeder van wolfraam en koolstof. Dat wordt, met kobalt als bindmiddel, op hoge temperatuur gebracht.

Het kobalt smelt en zorgt ervoor dat de oppervlakken van de stofdeeltjes stevig aan elkaar hechten. Hardmetaal houdt zijn hardheid tot een temperatuur van 800ºC en biedt zelfs tot 1000ºC voldoende weerstand tegen slijtage. Het materiaal heeft echter een keerzijde: het is, net zoals gietijzer, bros. Dat betekent dat het niet bestand is tegen een schokbelasting, die bijvoorbeeld optreedt als het te frezen materiaal een onderbroken snede heeft. Het hardmetaal krijgt dan bij elke omwenteling een tik, waartegen het niet bestand is.

Het keramische materiaal siliciumnitride is een alternatief voor hardmetaal. Het behoudt zijn hardheid tot 1200°C en is bij die hoge temperaturen harder en sterker dan hardmetaal. Het heeft echter als groot nadeel dat het chemisch reageert met staal. Siliciumnitride lost tijdens het snijden eenvoudigweg in het staal op. De chemische interactie is al minder sterk voor een keramiek van silicium, aluminium, zuurstof en stikstof, maar is ook dan nog steeds aanzienlijk.

De verzamelnaam voor deze keramische materialen is Sialon, van Si, Al, O en N. Een oplossing voor de ongewenste reactie bestaat in het aanbrengen van een andersoortige keramische deklaag, zodat een volledig keramische beitel ontstaat.

Deklagen van titaannitride, waar dit artikel over gaat, zijn overigens nog volop in ontwikkeling. De laatste jaren gaat de aandacht uit naar varianten op de samenstelling van die stof, die bijvoorbeeld ontstaan door toevoegen van silicium, aluminium of koolstof. Zo kan een enkele deklaag van bijvoorbeeld (Ti,Al,Si)N worden aangebracht, waarbij silicium of aluminium om beurten de plaatsen van de titaanatomen innemen.

Een andere mogelijkheid zijn multilagen, verschillende deklagen boven op elkaar. Om de juiste materiaalkeuze te maken, moet de materiaalkundige echter eerst weten hoe de materialen zich tijdens een verspanende bewerking gedragen. Want daar gaat het tenslotte om.

Literatuur

Bhushan B en Gupta BK. Handbook of tribology – materials, coatings, and surface treatments. McGraw-Hill, 1991. Tschatsch H. Verspaningstechniek – technieken en machines. Schoonhoven: Academic Services, 1997.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 juni 1999

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.