Zobrazit článek ve formátu PDF - Západočeská univerzita v Plzni

ÚPRAVY POVRCHŮ PRO APLIKACE V JADERNÉ ENERGETICE
SVOČ FST 2009
Renáta Mathesiusová
Západočeská univerzita v Plzni,
Univerzitní 8, 306 14 Plzeň
Česká republika
ABSTRAKT
Práce obsahuje charakteristiku radiačního poškození a povrchových úprav (vybraných tenkých vrstev). Experimentální
část je zaměřena především na hodnocení opotřebení nepovlakovaného a povlakovaného vzorku, opatřeného vrstvou
BALINIT® C STAR. Získané výsledky by měly sloužit k prokázání vhodnosti použití vybrané povrchové úpravy.
KLÍČOVÁ SLOVA
Radiační poškození, tenké vrstvy, metoda PACVD, metoda Pin on disc, BALINIT® C STAR.
ÚVOD
Zadavatelem této práce je ŠKODA JS. Úkolem bylo zhodnotit vybranou povrchovou úpravu a rozhodnout, zda je
vhodná k aplikaci na ozubené soukolí modernizovaného pohonu regulačních tyčí v jaderném reaktoru typu VVER 440.
Vybranou povrchovou úpravou je vrstva BALINIT® C STAR od firmy Oerlikon Balzers, pro experimentální
hodnocení byla vybrána metoda Pin on disc, po jejím provedení se opotřebení hodnotilo optickým a elektronovým
mikroskopem.
1. RADIAČNÍ POŠKOZENÍ
Radiační poškození je nepříznivá změna mechanických a fyzikálních vlastností ozářením [1]. Radioaktivní záření
přenáší energii do materiálu, což způsobuje především přemístění atomů z jejich uzlových poloh (tvorba defektů). Dále
způsobuje například změnu vnitřní mikrostruktury, rozměrů, mechanických, elektrických a magnetických vlastností
a snižuje korozní odolnost [2].
Hlavními defekty jsou vakance a intersticiální atomy. Ozáření elektrony a γ-paprsky způsobuje vznik jen těchto defektů.
Prolétnutí neutronů, protonů, deuteronů a α-částic mřížkou uvede blízké atomy do rychlého kmitání, což znamená
mžikový ohřev na teploty až několika desítek tisíc stupňů, takže nastane přechodné roztavení nebo vypaření a drastické
poškození mřížky. Podél dráhy se tak vytvoří poškozená oblast, jež zasahuje až do několika desítek atomových
vzdáleností od dráhy prolétnuvší částice. Zanechaná stopa má submikroskopickou velikost a lze ji pozorovat jen
elektronovým mikroskopem[1].
1.1 Vliv radiace na vlastnosti oceli
Na oceli používané v jaderné energetice se kromě požadavků na pevnost a korozní vlastnosti kladou z jaderného
hlediska ještě tyto základní požadavky:
• nízká indukovaná aktivita,
• odolnost proti radiačnímu poškození.
Indukovaná aktivita záleží v tom, že ozářením mohou v kovech vzniknout nestabilní izotopy s dlouhou životností,
vysílající pronikavé nebezpečné záření. Nejznámější je vznik radioaktivního izotopu Co 66 v kobaltu. Aby se toto
nebezpečí minimalizovalo, omezuje se jeho obsah v ocelích na max. 0,02% (a je snaha jeho množství snížit až
na 0,005%) [1].
Změny mechanických vlastností
Vlivem záření se zvyšuje z mechanických vlastností zejména mez kluzu, pevnost a tvrdost, současně klesá tažnost,
kontrakce, vrubová houževnatost; tranzitní teplota vrubové houževnatosti se posunuje k vyšším teplotám.
Účinek záření závisí na typu a stavu krystalové mřížky ozařovaného kovu a na podmínkách ozařování, tj. na teplotě
ozařování, na energii neutronů atd.
Změny fyzikálních vlastností a mikrostruktury
Elektrický odpor všech čistých kovů i oceli po ozáření vzrůstá. Neutronové záření má vliv na elastické konstanty kovů -
zvyšuje je. Radiace působí rovněž na martenzitickou transformaci. V ocelích (uhlíkových, manganových a niklových)
teplota M s stoupá a zvyšuje se také množství transformovaného martenzitu s klesající teplotou, kdežto u Ni slitin se bod
M s snížil [1].
1

Pro podstatné změny velikosti a tvaru způsobené ozářením se používá termín rozměrová nestabilita. Mezi základní
rozměrové nestability patří swelling (bobtnání), smrštění, creep a prodloužení. První dvě patří pod objemové změny,
zbylé dvě pod změny tvaru (bez změny objemu). Některé se mohou vyskytovat i současně [2].
1.2 Způsoby radiačního poškození kovů
a) Vznik bodových poruch
K vyražení atomu z uzlové polohy mřížky je třeba určité minimální energie, která je pro kovy 10 až 40 eV. Při srážce
s rychlými neutrony získávají zasažená jádra atomů energii zhruba o 3 řády větší. Jsou tedy vyrážena a pohybují se
mřížkou rychlostí odpovídající přebytku energie (rychlost řádu 10 5 až 10 6 m.s -1 , tedy o 2 až 3 řády větší než rychlost
zvuku v kovu). Tyto ionty mohou zasahovat a vyrážet z uzlových bodů mřížky další ionty. Primární srážka rychlého
neutronu s jádrem atomu mřížky tedy vyvolá sérii sekundárních srážek mezi ionty. Po poklesu energie pod hodnotu
nezbytnou k vyrážení z uzlové polohy uváznou ionty v mezimřížkové poloze, jak ukazuje obrázek 1. Například u mědi
připadá na jednu primární srážku řádově 10 3 sekundárně vyražených iontů, a tedy 10 3 dvojic vakance-intersticiál
(Frankelových poruch).
Porušená oblast mřížky obsahuje řádově 10 4 atomů. Střed oblasti je bohatší na vakance ("zředěná" oblast), okraj na
intersticiály ("zahuštěná" oblast). Celková koncentrace bodových poruch roste s integrální dávkou neutronů a může
značně převýšit rovnovážnou koncentraci.
Obr.1. Schéma vyrážení iontů
z uzlových bodů mřížky
při dopadu neutronu [2]
Vakance při vyšší koncentraci se shlukují, kondenzují a vytvářejí Frankovy dislokační smyčky nebo dutiny. Přispívají
i ke vzniku stupňů na dislokacích. Zvýšená koncentrace vakancí urychluje difúzní pochody řízené vakančním
mechanismem, například precipitační procesy nebo tečení při ozařování (radiační creep).
b) Lokální tepelné ovlivnění
Zbytek kinetické energie iontu po poslední srážce se spotřebuje na zvětšení kmitů mřížky. To se projeví tepelným
rázem v oblasti zahrnující asi 10 3 atomů, která se po dobu asi 10 -10 s ohřeje až o 1000 K. Mohou vznikat natavené
a rychle ztuhlé mikrooblasti, popř. oblasti, v nichž proběhla jiná fázová transformace, které mají vlastnosti odlišné od
okolní matrice.
c) Jaderná transmutace
Zachycení neutronu v jádře atomu ozařované látky vyvolá transmutaci jádra. Vzniká těžší izotop téhož prvku nebo ion
jiného prvku, jako například při reakce neutronu s atomem boru, jehož produktem je lithium a helium:
1 7
5
B+
0n→3Li+
10
4
2
He
Transmutací za vzniku jiného prvku se mění všechny vlastnosti látky [2].
2. POVRCHOVÉ ÚPRAVY
Zvyšování technické úrovně, užitné hodnoty, jakosti a spolehlivosti strojírenských výrobků při dodržení ekonomických
a ekologických limitů patří mezi hlavní směry rozvoje hospodářství. Při užití těchto výrobků dochází k jejich
vzájemnému styku i k interakci s okolním prostředím, a tím i k jejich povrchové degradaci vlivem opotřebení, koroze
a dalších vlivů. Povrchové úpravy se tedy významně podílí na výsledné jakosti technického zařízení. Ovlivňují jeho
životnost, provozní spolehlivost, a tím i využitelnost, pohotovost, nároky na údržbu. Nedostatečná resp. nevyhovující
povrchová ochrana může znehodnotit i vynikající technické dílo. Povrchová ochrana ovlivňuje a podmiňuje nejen
2

funkčnost strojírenských výrobků, ale i jejich vzhled. I když vzhledově narušená zařízení jsou ještě funkčně využitelná,
klesá jejich prodejnost a stoupá možnost znehodnocení okolního prostředí.
Celosvětově zostřené ekologické uvědomění ve spojení se stále se zmenšujícími zásobami surovin a pokračující
energetické problémy nutí i obor povrchových úprav úsporně a ekologicky pracovat a myslet. Toto uvědomění si
ekologických důsledků lidské činnosti má dnes zásadní vliv na vývoj jednotlivých technologií i celého procesu.
Obor povrchových úprav je z pohledu na životní prostředí naprosto pozitivním činitelem: brzdí a omezuje korozní
a další destrukční děje a tím vede k úsporám materiálů, surovin, k jejich dokonalejšímu využívání, ke zvyšování jakosti,
přispívá ke zlepšení estetické úrovně v našem prostředí [4].
2.1 Opotřebení a tření
Životnost a spolehlivost strojních součástí je značně ovlivněna opotřebením, které se významně podílí na ztrátách
energie a materiálu a má významný vliv i na náklady spojené s údržbou, opravami a renovacemi strojních součástí.
Opotřebení, ke kterému dochází při vzájemném styku a relativním pohybu těles (resp. funkčního povrchu a média), je
i v nejjednodušších případech složitý děj, který je významně ovlivňován řadou faktorů. Vyplývá to jak ze složitosti
vzájemného působení materiálů na funkčním povrchu součásti, tak z toho že proces opotřebení není ukončen tak
jednoznačnou hranicí použitelnosti. Opotřebení může vést i k zmenšování průřezů v nebezpečných místech. Růst
opotřebení se projevuje chvěním, hlukem, rázy a zvyšováním třecích sil, příp. i zadíráním.
Obecně se opotřebení projevuje odstraňováním nebo přemisťováním částic hmoty z povrchu materiálu mechanickým
účinkem, jenž je obvykle doprovázen jevy fyzikálními, chemickými, popř. elektrickými. Podíl jednotlivých pochodů
a jejich kinetiku lze jen velmi obtížně vyjádřit vhodnými vztahy. Namáhání při opotřebení se obecně projevuje:
• mikroplastickou deformací vyvolanou zatlačováním tvrdých částic do měkčího povrchu druhého členu,
• únavou povrchových vrstev při opakovaném zatížení,
• vznikem oxidů, který je podporován mikroplastickou deformací a zvýšením teploty v místě dotyku materiálů,
• změnou struktury,
• aktivací povrchových vrstev materiálu .
Významným faktorem vzájemného chování dvou pohybujících se těles je tření. Tření je jev, který vzniká
při pohybu tělesa v těsném kontaktu s jiným tělesem. Při každém tření existuje třecí síla, která působí vždy proti pohybu
(příp. proti změně klidového stavu u klidového tření). Práce potřebná k překonání třecí síly se mění třením převážně
v teplo [10]. Podle rychlosti pohybu a jeho druhu rozeznáváme různé druhy tření. Interdisciplinární nauka o vzájemném
působení povrchů při jejich vzájemném (relativním) pohybu je tribologie. Při zkoumání třecích projevů a účinků
pohlížíme na soustavu tvořenou dvěma tělesy a jejich stykovými plochami, látkou, která je mezi stykovými plochami, a
blízkým okolím jako na tribologický systém [4].
2.1 Tenké vrstvy
Výkon a životnost nástrojů a přesných součástí se silně zkracuje působením tření a opotřebení. Nejúčinnější a často také
jedinou možností je povlakování tenkými vrstvami. Jestliže jsou nástroje nebo přesné součástky povlakovány tenkou
vrstvou, vzroste mnohonásobně jejich výkonnost. Povlakování otevírá nové rozměry ve výrobě a konstrukci - a to
s jasnými výhodami z hlediska nákladů. Vhodně zvolená tenká vrstva zvyšuje životnost a funkční bezpečnost,
umožňuje náhradu drahých speciálních materiálů, snižuje nároky na mazání a údržbu, chrání při práci za sucha, zlepšuje
odolnost proti korozi [6].
2.1.1 Technologie vytváření tenkých vrstev
• pro dobré adhezní vlastnosti musí být povrch substrátu před depozicí kovově čistý
• před samotnou depozicí je nutné povrch očistit povrch od organických a anorganických nečistot
• při použití chemického čištění je nutné u všech technologií depozice mechanicky očistit povrch od
makronečistot
Metoda PVD (Physical Vapour Deposition)
Technologie vytváření vrstev PVD je založena na odpaření nebo odprášení pevné látky v řízené atmosféře. Povlaky
vznikají nejčastěji při teplotě do 500°C a tlaku 0,1 - 1 Pa ve vakuové komoře, do níž je vpuštěn pracovní plyn, např.
argon nebo kyslík. Podle způsobu získání kovových iontů rozlišujeme metodu odpaření nízkonapěťovým obloukovým
výbojem (obloukové odpařování) nebo metodou odprášení ionty (magnetronové naprašování) [5].
a) Metoda CVD (Chemical Vapour deposition)
Chemická metoda vytváření vrstev CVD využívá pro depozici směs chemicky reaktivních plynů zahřátou na poměrně
vysokou teplotu 900 - 1150°C. reakční složky jsou přiváděny v plynné fázi a vrstva vzniká na povrchu žhaveného
substrátu heterogenní reakcí [6].
3

) Metoda PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition)
Metoda PACVD probíhá při mnohem nižších teplotách než u konvenčních CVD technik. Výrobky jsou povlakovány až
po konečném zušlechtění na požadovanou tvrdost a v průběhu povlakování nedochází k rozměrovým změnám. Touto
metodou lze povlakovat i dutiny. PACVD povlaky se vyznačují extrémně nízkým koeficientem tření – až 0,1.
Výhody metody PACVD:
• několikanásobné zvýšení životnosti,
• nízký koeficient tření,
• výborné tribologické vlastnosti,
• žádné rozměrové změny,
• nízké povlakovací teploty,
• možnost povlakování složitých tvarů a dutin,
• povlakování rozměrných a těžkých kusů až do hmotnosti 1 250 kg.
Při metodě PACVD je zvyšována energie plynné atmosféry v povlakovací komoře pomocí její ionizace a aktivace
v plazmatickém výboji. Chemicky aktivované plazma umožňuje snížit teplotu potřebnou pro depozici vrstev na povrchu
substrátu. Plazma lze vytvořit pomocí vnějšího elektrického napájecího zdroje (nízkofrekvenční střídavé napětí,
vysokofrekvenční střídavé napětí, stejnosměrné napětí, pulzní stejnosměrné napětí) nebo reaktivním plynem (např.
NH 3 ). Výhodou metody PACVD je zanedbatelná difúze mezi vrstvou a substrátem v důsledku nízké teploty.
Multivrstvy jsou vytvořeny pravidelným střídáním dvou typů vrstev s rozdílnými vlastnostmi. Vlastnosti jsou odlišné
od vlastností monovrstev stejného průměrného složení. Tvrdost a houževnatost závisí na tloušťce jednotlivých vrstev,
poměru jejich složek, na typu kombinovaných materiálů a nelze je popsat jednoduchým směšovacím pravidlem. Každé
rozhraní jednotlivých vrstev funguje jako bariéra proti šíření trhlin, takže se zvýší odolnost proti šíření trhlin. Drsnost
povrchu je výrazně nižší než u tradičních vrstev, což příznivě působí na snižování tření, čímž se snižuje množství
vzniklého tepla. Multivrstvy mají i vyšší odolnost proti chemickým reakcím a vyšší trvanlivost [5].
3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST
Experimentální materiál:
Substrát
Substrátem je chromová martenzitická ocel 1Ch13N3 o následujícím složení:
C Mn Si Cr Ni P S Co
0,08 max. max. 12,5 2,2 max. max. max.
0,15 0,60 0,60 14,5 3,0 0,030 0,025 0,05
Pin tělísko
Pro Pin tělísko byla zvolena kulička z kuličkového ložiska, ocel tř. 17 042, průměr 6mm.
Pro hodnocení byla vybrána vrstva BALINIT® C STAR od Oerlikon Balzers v následujícím složení:
Vrstva CrN
Jedná se o tenkou vrstvu s vysokou tvrdostí, dobrou oxidační schopností, dobrými mechanickými vlastnostmi a nízkým
součinitelem tření [7]. Je dobrým podkladem pro kluznou vrstvu.
Vrstva DLC (diamond like carbon)
Kluzná vrstva pro zlepšení kluzných vlastností. Aplikuje se v kombinaci s tvrdou vrstvou [6], v tomto případě s CrN.
Jedná se o tvrdou amorfní vrstvu uhlíku zkombinovanou s karbidem wolframu, obvykle vyrobenou pomocí metody na
bázi CVD. Vrstva a-C:H:W (běžné označení WC/C) s nízkým třením má veliký potenciál pro aplikace pro vysoce
namáhané strojní součásti. Velmi dobře brání opotřebení i při vysokých tlacích. Díky těmto vlastnostem je možné
minimalizovat použití toxických lubrikantů a dosáhnout „ekologické mazání" [8].
3.1 TRIBOLOGIE
Charakteristika činnosti
Základem tribologických měření je testování metodou Pin on disc. Měření spočívá ve vtlačování pevně uchyceného
zkušebního tělíska (Pin) ve tvaru kuličky ze zvoleného materiálu předem definovanou silou do disku (zkušebního
vzorku). Nejdůležitější částí zařízení je elastické rameno ve kterém je uchycen přípravek, do kterého se vkládá Pin
tělísko. Nezbytnou součástí je i snímač tření. Koeficient tření mezi tělískem a diskem je určován během testu měřením
4

odchylky elastického ramene. Disk (vzorek) se vkládá do "sklíčidla", které se otáčí zvolenou rychlostí. Na rameno je
možné ukládat různé zatížení. Pro tento experiment byl použit High temperature tribometer od firmy CSM Instruments.
V poslední době je tato zkouška hojně využívána zejména pro testování vlastností různých druhů tenkých vrstev.
Po každé zkoušce je za pomocí ŘEM (řádkovací elektronový mikroskop) vyhodnocena odolnost proti opotřebení
zkoušeného materiálu [9].
3.2 Podmínky měření
Pro experiment byly zvoleny následující podmínky:
• Zatížení [F] - 5 a 10N
• Rychlost otáčení [v]: 1 a 4 cms-1
• Poloměry 2-12mm, vzdálenost 2mm
• Normální teplota
Obr.2. Dole - nepovlakovaný vzorek před a po zkoušce metodou Pin on disc,
nahoře - povlakovaný vzorek
Za stejných podmínek se zjišťoval průběh koeficientu tření u nepovlakovaného a u povlakovaného vzorku.
Z jednotlivých měření se složil graf průběhu koeficientu tření. Obrázek 1 ukazuje srovnání průběhu koeficientu tření
u povlakovaného a nepovlakovaného vzorku. Dále se opotřebení drážky a kuličky hodnotilo pomocí optického
a elektronového mikroskopu.
3.3 Nepovlakovaný vzorek
U nepovlakovaného vzorku je opotřebení drážky i kuličky značné, jak ukazuje obr.3. Velikost opotřebení drážky
a kuličky se u jednotlivých měření téměř neměnila, také průběh koeficientu tření je obdobný (viz obr.1).
Obr.3. Vlevo - drážka v nepovlakovaném vzorku, vpravo - opotřebení kuličky
(r=12mm, F=5N, v=4cms -1 , 1000 otáček)
5

Obr.4. Opotřebení drážky dokumentované elektronovým mikroskopem, vpravo zadřená oxidická částice
(r=12mm, F=5N, v=4cms -1 , 1000 otáček)
3.4 Povlakovaný vzorek
U povlakovaného vzorku je opotřebení drážky i kuličky po stejném počtu otáček jako u nepovlakovaného vzorku téměř
neznatelné (obr.4.). Pod optickým mikroskopem je vidět lehké ohlazení nerovností povrchu, pod elektronovým
mikroskopem není drážka po 1000 otáčkách patrná. Teprve po 30 000 otáčkách je v elektronovém mikroskopu vidět
ohlazení nerovností povrchu vzorku (obr.5.)
Byl proveden pokus o prodření vrstvy (podmínky měření: F=10N, v=8cms -1 , 70 000 otáček). Po tomto pokusu k
prodření vrstvy nedošlo, vrstva dokonce nevykazovala výrazné poškození. Koeficient tření nepřekonal hranici 0,25
(obr. 7).
Obr.4. Opotřebení povlakovaného vzorku a kuličky po 30 000 otáčkách
6

Obr.5. Opotřebení povlakovaného vzorku po 30 000 otáčkách
Průběh koeficientu tření - porovnání vzorků
koeficient tření
1,00
0,90
0,80
0,70
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
0,00
Nepovlakovaný vzorek
Povlakovaný vzorek
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
počet otáček
Obr.6. Srovnání průběhu koeficientu tření
7

Průběh koeficientu tření - povlakovaný vzorek
0,30
0,25
koeficient tření
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000
Počet otáček
Obr.7. Průběh koeficientu tření z pokusu o prodření vrstvy
ZÁVĚR
Hodnocená vrstva BALINIT® C STAR výrazně snížila koeficient tření, který má i mnohem hladší průběh než
u nepovlakovaného vzorku, také výrazně snížila opotřebení vzorku i kuličky. Vrstvu se nepodařilo prodřít ani po
vysokém počtu otáček s větším zatížením. Na základě výsledků vybraných zkoušek hodnotím tuto vrstvu jako vhodnou
k aplikaci na vybranou součást.
Poděkování
Chtěla bych poděkovat Ing. J. Savkové a Doc. Ing. Olze Bláhové, Ph.D za cené rady a připomínky k mé práci.
Experimentální část byla provedena ve spolupráci s NTC, fotografie z elektronového mikroskopu zhotovila
ing. J. Savková.
POUŽITÁ LITERATURA:
[1] KOUTSKÝ J., Materiály jaderných zařízení, VŠSE Plzeň 1986.
[2] L. K. Mansur, Theory and experimental background on dimensional changes in irradiated alloys, Journal of
Nuclear Materials 216 (1994) 97-123
[3] PLUHAŘ J., Fyzikální metalurgie a mezní stavy materiálu, SNTL Praha 1987.
[4] KRAUS V., Povrchy a jejich úpravy, ZČU Plzeň 2000.
[5] http://www.mmspektrum.com
[6] PRUŠÁKOVÁ L., Tribologické vlastnosti TiCN vrstev, Diplomová práce, ZČU 2007
[7] http://www.noze-nuz.com
[8] R. Michalczewski, W. Piekoszewskia, M. Szczereka, W. Tuszynskia, The lubricant-coating interaction in rolling
and sliding contacts, www.sciencedirect.com
[9] http://www.ateam.zcu.cz
[10] http://cs.wikipedia.org
8