Struktura i morfologia powłok Zr-O-N formowanych metodą katodowego odparowania łukowego

• Autorzy: Warcholiński B. , Gilewicz A. , Kuprin A. S. , Ovcharenko V. D. , Jędrzejewski R. , Kuznetsova T. A.

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0012.2090

Warianty tytułu

EN

Structure and morphology of Zr-O-N coatings formed by the method of cathodic arc evaporation

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Tlenoazotki metali przejściowych są materiałem powłokowym o cechach dekoracyjnych z uwagi na możliwość ich regulowanego zabarwiania oraz dobre właściwości mechaniczne. Powłoki tlenoazotku cyrkonu formowano metodą katodowego odparowania łukowego na stalowych podłożach. Badano zestaw powłok otrzymanych przy różnym względnym udziale objętościowym tlenu w reakcyjnej atmosferze podczas osadzania. Analizowano wpływ udziału tlenu na zabarwienie, morfologię powierzchni powłok i ich skład fazowy. Wraz ze wzrostem zawartości tlenu zmieniał się kolor cienkiej powłoki Zr-O-N od złocistożółtego do grafitowego. Obserwacja powierzchni powłok metodą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) wykazała obecność defektów powierzchniowych w postaci makrocząstek o wymiarach od submikronowych do kilku mikrometrów, przy czym populacja najmniejszych mikrocząstek była największa. Stwierdzono także, że chropowatość powierzchni powłok Zr-O-N wzrasta wraz ze wzrostem względnego udziału objętościowego tlenu w atmosferze podczas osadzania. Metodą rentgenowskiej analizy fazowej wykazano, że faza tlenku cyrkonu wystąpiła przy względnym udziale tlenu równym 50%, a poniżej tej wartości obserwowano jedynie fazę ZrN. Wielkość parametru regularnej komórki elementarnej powłok Zr-O-N wzrasta wraz ze wzrostem względnego udziału tlenu w atmosferze, przy jednoczesnym zmniejszeniu się natężenia linii dyfrakcyjnych powłok.

EN

Oxynitrides of transitional metals are a coating material with decorative features due to the possibility of their adjustable colouring and good mechanical properties. The coatings of zirconium oxynitride have been deposited by the method of cathodic arc evaporation onto steel substrates. A set of coatings obtained at different relative volumetric concentrations of oxygen in the reaction atmosphere during deposition has been investigated. The influence of oxygen concentration on the colour, surface morphology and phase composition of the coatings has been analyzed. With the increase of oxygen content, the colour of the thin Zr-O-N coating has changed from golden-yellow to graphite. Observation of the surface of the coatings by means of the SEM method has shown the presence of surface defects in the form of macroparticles ranging from a submicron to several micrometers, with the smallest microparticle population being the largest. It has also been found that the surface roughness of the Zr-O-N coatings increases as the relative volumetric concentration of oxygen in the atmosphere during deposition increases. By means of X-ray diffraction analysis it has been shown that the zirconium oxide phase has occurred with a relative oxygen concentration of 50%, whereas below this value only the ZrN phase has been observed. The value of the parameter of the regular elementary cell of the Zr-O-N coatings increases as the relative concentration of oxygen in the atmosphere increases, while at the same time the intensity of the diffraction lines of the coatings decreases.

Słowa kluczowe

PL

powłoki Zr-O-N; struktura powłok; morfologia powierzchni powłok; SEM

EN

Zr-O-N coatings; structure of coatings; surface morphology of coatings; SEM

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Mechaniki Precyzyjnej
• Czasopismo: Inżynieria Powierzchni
• Rocznik: 2018
• Tom: nr 2
• Strony: 17--23
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Warcholiński B.

• Politechnika Koszalińska Wydział Technologii i Edukacji

autor

Gilewicz A.

• Politechnika Koszalińska Wydział Technologii i Edukacji

autor

Kuprin A. S.

• Narodowe Centrum Nauki Charkowski Instytut Fizyki i Technologii

autor

Ovcharenko V. D.

• Narodowe Centrum Nauki Charkowski Instytut Fizyki i Technologii

autor

Jędrzejewski R.

• Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki

autor

Kuznetsova T. A.

• Narodowa Akademia Nauk Białorusi Instytut Przenoszenia Ciepła i Masy im. A.V. Łykova

Bibliografia

• 1. Huang J.H., Tsai Z.E., Yu G.P.: Mechanical properties and corrosion resistance of nanocrystalline ZrNxOy coatings on AISI 304 stainless steel by ion plating. „Surface and Coatings Technology” 2008, vol. 202, issue 20, p. 4992–5000.
• 2. Niyomsoan S., Grant W., Olson D.L., Mishra B.: Variation of color in titanium and zirconium nitride decorative thin films. „Thin Solid Films” 2002, vol. 415, issues 1–2, p. 187–194.
• 3. Carvalho P., Fernandes A.C., Rebouta L., Vaz F., Cunha L., Kreissig U., Barradas N.P., Ramos A.R., Alves E.: Compositional and structural changes in ZrOxNy films depending on growth condition. „Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms” 2006, vol. 249, issues 1–2, p. 458–461.
• 4. Choi H., Jang J., Zhang T., Kim J.H., Park I.W., Kim K.H.: Effect of Si addition on the microstructure, mechanical properties and tribological properties of Zr–Si–N nanocomposite coatings deposited by a hybrid coating system. „Surface and Coatings Technology” 2014, vol. 259, Part C, p. 707–713.
• 5. Pilloud D., Pierson J.F., Marques A.P., Cavaleiro A.: Structural changes in Zr–Si–N films vs. their silicon content. „Sur-face and Coatings Technology” 2004, 180–181, p. 352–356.
• 6. Nose M., Chiou W.A., Zhou M., Mae T., Meshii M.: Microstructure and mechanical properties of Zr–Si–N films prepared by rf-reactive sputtering. „Journal of Vacuum Science and Technology A” 2002, vol. 20, issue 3, p. 823–828.
• 7. Sandu C.S., Sanjinés R., Medjani F.: Control of morphology (ZrN crystallite size and SiNx layer thickness) in Zr–Si–N nanocomposite thin films. „Surface and Coatings Technology” 2008, vol. 202, issue 11, p. 2278–2281.
• 8. Trenczek-Zajac A., Radecka M., Zakrzewska K., Brudnik A., Kusior E., Bourgeois S., Marco de Lucas M.C., Imhoff L.: Structural and electrical properties of magnetron sputtered Ti(ON) thin films: The case of TiN doped in situ with oxygen. „Journal of Power Sources” 2009, vol. 194, issue 1, p. 93–103.
• 9. Rizzo A., Signore M.A., Mirenghi L., Di Luccio T.: Synthesis and characterization of titanium and zirconium oxynitride coatings. „Thin Solid Films” 2009, vol. 517, issue 21, p. 5956–5964.
• 10. de Silva Oliveira C.I., Martinez-Martinez D., Cunha L., Rodrigues M.S., Borges J., Lopes C., Alves E., Barradas N.P., Apreutesei M.: Zr-O-N coatings for decorative purposes: Study of the system stability by exploration of the deposition parameter space. „Surface and Coatings Technology” 2018, vol. 343, p. 30–37.
• 11. Klumdoung P., Buranawong A., Chaiyakun S., Limsuwan P.: Variation of color in Zirconium nitride thin films prepared at high Ar flow rates with reactive dc magnetron sputtering. „Procedia Engineering” 2012, vol. 32, p. 916–921.
• 12. Mohamed S.H., Abd El-Rahman A.M., Ahmed M.R.: Investigation of zirconium oxynitride thin films deposited by reactive pulsed magnetron sputtering. „Journal of Physics D”: Applied Physics 2007, 40, p. 7057–7062.
• 13. Huang J.H., Chang K.H., Yu G.P.: Synthesis and characterization of nanocrystalline ZrNxOy thin films on Si by ion plat-ing. „Surface and Coatings Technology” 2007, vol. 201, issue 14, p. 6404–6413.
• 14. Chen Y.M., Liao B., Wu X.Y., Zhang H.X., Zhang X.: Synthesis and characterization of zirconium oxynitride coatings deposited by filtered cathodic vacuum arc technology. „Surface and Coatings Technology” 2013, vol. 228, Supplement 1, p. S210–S213.
• 15. Laurikaitis M., Dudonis J., Milčius D.: Deposition of zirconium oxynitride films by reactive cathodic arc evaporation and investigation of physical properties. „Thin Solid Films” 2008, vol. 516, issue 7, p. 1549–1552.
• 16. Barret C., Massalski T.B.: Structure of Metals. 3 ed., Pergamon Press Oxford, 1980.
• 17. Vaz F., Carvalho P., Cunha L., Rebouta L., Moura C., Alves E., Ramos A.R., Cavaleiro A., Goudeau P., Riviere J.P.: Property change in ZrNxOy thin films: effect of the oxygen fraction and bias voltage. „Thin Solid Films” 2004, vols. 469–470, p. 11–17.
• 18. Fuentes G.G., Rodriguez R., Avelar-Batista J.C., Housden J., Montalá F., Carreras L.J., Cristóbal A.B., Damborenea J.J., Tate T.J.: Recent advances in the chromium nitride PVD process for forming and machining surface protection. „Journal of Materials Processing Technology” 2005, vol. 167, issues 2–3, p. 415–421.
• 19. Warcholinski B., Gilewicz A., Lupicka O., Kuprin A.S., Tolmachova G.N., Ovcharenko V.D., Kolodiy I.V., Sawczak M., Kochmanska A.E., Kochmanski P., Kuznetsova T.A., Zubar T.I., Khu¬doley A.L., Chizhik S.A.: Structure of CrON coatings formed in vacuum arc plasma fluxes. „Surface and Coatings Technology” 2017, vol. 309, p. 920–930.
• 20. Urgen M., Ezirmik V., Senel E., Kahraman Z., Kazmanli K.: The effect of oxygen content on the temperature dependent tribological behavior of Cr–O–N coatings. „Surface and Coatings Technology” 2009, vol. 203, issue 16, p. 2272–2277.
• 21. Farkas N., Zhang G., Ramsier R.D., Evans E.A., Dagata J. A.: Characterization of zirconium nitride films sputter deposited with an extensive range of nitrogen flow rates. „Journal of Vacuum Science and Technology A” 2008, vol. 26, issue 2, p. 297–301.
• 22. Warcholinski B., Gilewicz A., Lupicka O., Rochowicz J., Zykova A., Safonov V., Yakovin S.: Mechanical and tribological characteristics of zirconium based ceramic coatings for micro-bearing application. „Problems of Atomic Science and Technology” 2014, vol. 94, No. 6, p. 219–222.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).