Reibung

Pod frikční vlastnosti spadá chování povrchu daného materiálu při relativním vzájemném pohybu v kontaktu s jiným pevným povrchem. Uplatňují se zde mechanizmy tření, lubrikace a opotřebení. Jednou z určujících veličin je koeficient tření, který je odlišný pro různé třecí dvojice materiálů i pro různé třecí podmínky. Frikční koeficienty nás v životě doslova obklopují. V průmyslových aplikacích jsou ale jejich vysoké hodnoty ve většině případů nevítané. PVD vrstvy mohou pomoci s jejich významným snížením. Standardní vrstvy dosahují průměrně koeficientu 0,6, specializované frikční povlaky < 0,1 a špičkové vývojové koncepty < 0,01.

Frikce a tudíž frikční koeficienty jsou teplotně závislé. Velmi mnoho aplikací PVD vrstev je spojeno právě s vyššími teplotami. Je velkou výhodou, pokud vrstvy dokáží za těchto podmínek zlepšit chování třecí dvojice.

Dokonce skupina povlaků odvozených od V, Mo a W dokáže při oxidaci právě za vysokých (provozních) teplot vytvářet Magnéliho fáze, které mohou výrazným způsobem zlepšit frikční chování. Patří do skupiny vysokoteplotních lubrikantů.

Měření

Jedním z nejfrekventovanějších testů pro stanovení frikčních vlastností jsou tribo testy v konfiguraci pevný – pohyblivý díl. Jsou to například pin-on-disc, ball-on disc, ball-on-flat v různých pohybových a materiálových kombinacích. Ve většině případů se ale jedná o poněkud „nereálné“ komparativní testování. Nasimulování reálného procesu například tváření je nepoměrně obtížnější a je méně obvyklé, ale z pohledu průmyslových aplikací o to cennější.

Výjimkou v tribo testech je testování třecí dvojice, kde jsou povlakované oba díly. Metoda je mnohem pracnější, protože je nezbytné vyhodnocovat opotřebení obou dílů a v případě rozdílných typů povlaků se musí experiment realizovat s opačně napovlakovanými díly třecí dvojice. Mnohem složitější je rovněž interpretace výsledků. Pro návrh povlaků pro obě části třecí dvojice je ale tento přístup nedocenitelný.

Na Obr.2 je příklad stanovení koeficientu tření při vývoji povlaku na bázi karbidu křemíku v konfiguraci obou povlakovaných dílů.

Pro měření vysokoteplotních frikčních vlastností se používá stejných přístrojů a postupů jak pro standardní tribologii. Přístroje jsou ale dovybaveny ohřevem poskytujícím teploty typicky v rozsahu 400 – 800°C.

Jako alternativou k tribo testům za zvýšených teplot je řezná zkouška s monitorováním řezných sil a momentů, která navíc může mnohem lépe simulovat reálné podmínky nasazení povlaků. Na Obr.3 je porovnání hodnot kritické rychlosti různých typů povlaků při čelním soustružením.

Aplikace

zajímavou aplikací teplotně vázáného lubrikantu je použití PVD vrstvy Vanadin na bázi VN (nitridu vanadu) pro tlakové lití hliníku. V metalurgii slitin hliníku jsou poměrně přesně známy provozní teploty povrchů licích forem. Pro tyto teploty lze nakalibrovat chemické složení PVD vrstev tak, aby vznikající lubrikant omezil negativní vliv ulpívání hliníku na formě. Uvedené řešení může významně zvýšit životnost forem, snížit zmetkovitost a podstatně redukovat nároky na provozní údržbu. Detaily jsou k dispozici v článku MM12/2015.