CZ305985B6

CZ305985B6 - Vodicí kladky z tvrzené oceli pro tažení drátu

Info

Publication number: CZ305985B6
Application number: CZ2013-109A
Authority: CZ
Inventors: Martin Louda; Slavomír Hořejš; Petr Louda; Zbigniew Rożek; Mateusz Fijałkowski
Original assignee: Technická univerzita v Liberci
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2016-06-08
Also published as: CZ2013109A3

Abstract

Řešení se týká ocelových vodicích kladek pro tažení drátu, jejichž alespoň pracovní plochy jsou opatřeny tenkými ochrannými vrstvami na bázi titanu, bóru a uhlíku (TiBC) v kombinaci s diboridem titanu (TiB.sub.2.n.). K zajištění dobré adheze obou vrstev z TiBC a z TiB.sub.2.n. k ocelovému substrátu je jako první nanesena mezivrstva nitridu titanu (TiN), na níž navazuje střední vrstva složená z titanu, bóru a uhlíku (TiBC), obsahující nitridy bóru a nitridy titanu a ochranná nanokompozitní multivrstva je zakončena vrchní vrstvou diboridu titanu (TiB.sub.2.n.), přičemž ochranná nanokompozitní multivrstva vykazuje tloušťku 2 až 3 .mi.m. Tloušťka spodní vrstvy z nitridu titanu (TiN) nepřesahuje 0,5 .mi.m. Ve výhodném provedení je střední vrstva složená z titanu, bóru a uhlíku (TiBC) tvořena několika vrstvami umístěnými nad sebou mezi kterými jsou pravidelně umístěny jednotlivé vrchní vrstvy diboridu titanu (TiB.sub.2.n.), přičemž ochranná nanokompozitní multivrstva je zakončena vždy vrchní vrstvou diboridu titanu (TiB.sub.2.n.).

Description

Vodicí kladky z tvrzené oceli pro tažení drátu

Oblast techniky

Vynález se týká ocelových kalených vodicích kladek pro tažení drátu.

Dosavadní stav techniky

V současné době existuje velký zájem o zvýšení životnosti různých druhů nástrojů, mezi které patří např. nástroje používané při tažení drátů. Tažení je proces, který spočívá v protahování polotovaru kuželovým otvorem (průvlakem), při kterém se zmenšuje příčný průřez tvářeného drátu a zvětšuje jeho délka. V důsledku tažení se zlepšují mechanické vlastnosti, jakost povrchu a dosahuje se přesných rozměrů a tvaru. Na vlastnosti taženého drátu mají vliv především průvlaky. Nicméně v tomto případě velmi důležitou roli hrají také vodicí kladky.

Tvářecí proces se provádí za studená, a to ve více stupních. Mezi jednotlivými fázemi procesuje drát veden z jednoho průvlaku ke druhému pomocí vodicích kladek. Ve většině případů se vodicí kladky vyrábí zkalené nástrojové oceli. Nástroje vyrobené z tohoto druhu oceli jsou charakteristické nízkou výrobní cenou, avšak také nízkými užitnými vlastnostmi. Zvýšení životnosti vodicích kladek lze dosáhnout pomocí tenkých vrstev vytvářených plazmatickými metodami. V tomto případě jde především o zvýšení jejich tvrdosti a snížení koeficientu tření.

V současnosti je málo publikovaných informací týkajících se povlakování vodicích kladek pro tažení drátu s cílem zlepšení jejich užitných vlastností. Nicméně jsou známá řešení, při kterých se v těchto aplikacích využívá např. tenké tvrdé vrstvy na bázi karbidu wolframu, které jsou charakterizovány vysokou tvrdostí, což zaručuje velkou odolnost nástrojů proti opotřebení.

Ochranné povlaky proti opotřebení povrchu mají velké využití v průmyslu v mnoha oblastech, jako je například tažení drátu. Opotřebení povrchu vodicích kladek nejen snižuje životnost nástrojů, může také vést k zhoršení parametrů taženého drátu. V důsledku kontaktu drátu s vodícími kladkami dochází k poškození jejich povrchu. Opotřebené kladky mohou vést k poškození drátu a vzniku trhlin na jeho povrchu, což podstatným způsobem zhoršuje kvalitu finálního produktu. Tato skutečnost klade specifické požadavky na vlastnosti tenkých vrstev vytvářených plazmatickými technologiemi na povrchu vodicích kladek. V tomto případě, by měly být povlaky charakterizovány hladkým povrchem a nízkým koeficientem tření.

Podstata vynálezu

Jednou z možných cest pro řešení výše uvedených problémů u vodicích kladek je použití tenkých ochranných multivrstev na bázi titanu, bóru a uhlíku, to je zkráceně TiBC v kombinaci s diboridem titanu TiB₂. K zajištění dobré adheze obou vrstev TiBC/TiB₂ k ocelovému substrátu je jako první nanesena mezivrstva nitridu titanu TiN. V tomto případě je většina nežádoucích zbytkových pnutí multivrstvy vyloučena v důsledku lokální deformace materiálu měkčí spodní mezivrstvy z TiN.

V další fázi jsou střídavě deponovány vrstvy TiBC a TiB₂ s cílem zvýšení tvrdosti a snížení vnitřních pnutí v takto vytvořené nanokompozitní multivrstvě. Potom tedy střední vrstva složená z titanu, bóru a uhlíku je tvořena několika vrstvami umístěnými nad sebou a také vrchní vrstva diboridu titanu je tvořena několika umístěnými nad sebou, přičemž střední vrstvy z titanu, bóru a uhlíku se pravidelně střídají s vrchními vrstvami z diboridu titanu. Ochranná nanokompozitní multivrstva je vždy zakončena vrchní vrstvou tvořenou z diboridu titanu. Na základě provede

- 1 CZ 305985 B6 ných studií životnosti vodicích kladek bylo zjištěno, že k dosažení požadovaného cíle je nutné vytvořit systém vrstev z TiBC/TiB₂ v počtu vyšším než dvacet.

Takto vytvořený systém jednotlivých vrstev zajišťuje silné a trvalé spojení mezi ochrannou nanokompozitní multivrstvou a ocelovým povrchem vodicí kladky. Ochranná nanokompozitní multivrstva vykazuje tloušťku 2 až 3 μm, zatímco tloušťka první mezivrstvy z TiN nepřesahuje 0,5 μm. Střední vrstva, resp. střední vrstvy složené z titanu, bóru a uhlíku, a vrchní vrstva, resp. vrchní vrstvy z diboridu titanu, vykazují tvrdost kolem 45 GPa.

Objasnění výkresu

Schematicky a názorně je na připojeném obrázku ukázána konstrukce ochranné nanokompozitní multivrstvy nanesené na povrch ocelové vodicí kladky pro tažení drátu, přičemž ve směru od substrátu je vytvořena nejprve spodní vrstva z nitridu titanu na kterou navazuje střední vrstva složená z titanu, bóru a uhlíku a následně je ochranná nanokompozitní multivrstva zakončena vrchní vrstvou z diboridu titanu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Podle obrázku je na povrchu ocelové vodicí kladky pro tažení drátu nanesena ochranná nanokompozitní multivrstva složená z několika vrstev tvořených postupně ve směru od ocelového substrátu. Spodní mezivrstva je tvořena nitridem titanu TiN, na níž je nanesena vrstva TiBC, složená z titanu, bóru a uhlíku, která obsahuje nitridy bóru a nitridy titanu/a následně vrstva diboridu titanu TiB₂. Vrstvy TiBC a TiB₂ jsou uspořádány střídavě. Tloušťka ochranné nanokompozitní multivrstvy se pohybuje v rozmezí 2 až 3 um a je zakončena vrchní vrstvou tvořenou diboridem titanu.

Ochranná nanokompozitní multivrstva je nanášena postupně a k jejímu vytvoření je využita technologie PA CVD (plasma assisted chemical vapour deposition). V komoře zařízení jsou pomocí plazmy při teplotě ~ 500 °C rozkládány plyny: titanium tetrachlorid (TiCl₄ - zdroj Ti), chlorid boritý (BC1₃ - zdroj B), metan (CI-U - zdroj C) a dusík. Zlepšení adheze vrstev z TiBC a následně z TiB₂ na kovový substrát je dosaženo za použití mezivrstvy z nitridu titanu TiN, která je nanesena na ocelový substrát jako první a jejíž tloušťka nepřesahuje 0,5 μm. V další fázi jsou střídavě deponovány vrstvy TiBC a TiB₂ a to v počtu vyšším než 20 opakování pro dosažení potřebné tvrdosti a snížení vnitřních pnutí.

Zařízení pro nanášení jednotlivých vrstev ochranné nanokompozitní multivrstvy využívá pulzní technologie DC-PECVD, kde hlavním zdrojem plazmy je DC pulzní výboj (impulzy stejnosměrného proudu). Použití tohoto depozičního systému umožňuje realizovat vytváření ochranné nanokompozitní multivrstvy bez nutnosti přerušení procesu a otevírání reakční komory. Široký rozsah parametrů plazmového generátoru, možnost řízení teploty a tlaku v kombinaci s přesným systémem dávkování plynu umožňují plnou kontrolu během procesu tvorby jednotlivých vrstev, což dává možnost ovlivnit chemické složení a vlastnosti deponovaných vrstev nanášených na ocelový substrát vodicí kladky pro tažení drátu.

Realizací vodicích kladek podle vynálezu bylo prokázáno, že koeficient tření pro třecí dvojici tvořenou ocelovým drátem a vodicí kladkou zkalené oceli opatřenou vrchní ochrannou nanokompozitní multivrstvou nepřesahuje hodnotu 0,6 (na leštěném vzorku). Bylo dokázáno, že povlak TiBC/TiB₂ je charakterizován tvrdostí 45 GPa, Youngův modul pružnosti 417 GPa. Vodicí nástroje opatřené těmito vrstvami byly úspěšně vyzkoušeny v průmyslových aplikacích, kde výrazně zvýšili životnost a užitné vlastnosti vodicích kladek pro tažení drátu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Vodicí kladka z tvrzené oceli pro tažení drátu, vyznačující se tím, že alespoň její pracovní plocha je opatřena ochrannou nanokompozitní multivrstvou složenou z několika vrstev tvořených postupně ve směru od substrátu z kalené oceli spodní vrstvou z nitridu titanu (TiN), na níž navazuje střední ochranná vrstva vytvořená z titanu, bóru a uhlíku (TiBC), obsahující rovněž nitridy bóru a nitridy titanu, a ochranná nanokompozitní multivrstva je zakončena vrchní vrstvou diboridu titanu (TiB₂), přičemž ochranná nanokompozitní multivrstva vykazuje tloušťku 2 až 3 pm.
2. Vodicí kladka z tvrzené oceli pro tažení drátu podle nároku 1, vyznačující se tím, že spodní vrstva z nitridu titanu (TiN) vykazuje tloušťku nepřesahující 0,5 pm.
3. Vodicí kladkaz tvrzené oceli pro tažení drátu podle nároku 1, vy z n a č uj í c í se tím, že střední ochranná vrstva složená z titanu, bóru a uhlíku (TiBC) je tvořena několika vrstvami umístěnými nad sebou, mezi kterými jsou pravidelně umístěny jednotlivé vrchní vrstvy diboridu titanu (TiB₂), přičemž ochranná nanokompozitní multivrstva je zakončena vrchní vrstvou diboridu titanu (TiB₂).
4. Vodicí kladka z tvrzené oceli pro tažení drátu podle nároku 1, vyznačující se tím, že střední ochranná vrstva složená z titanu, bóru a uhlíku (TiBC) a vrchní vrstva diboridu titanu (TiB₂) vykazují tvrdost kolem 45 GPa.