Analysis of fracture and wear resistance of ZrN coatings

• Autorzy: Chronowska-Przywara K. , Kot M.

Warianty tytułu

PL

Badanie wytrzymałości i odporności na zużycie powłok ZrN

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents the results of mechanical and tribological studies of ZrN coatings that allowed the determination of their hardness, elasticity modulus, and scratch and wear resistance. Tests were carried out for 1, 1.4, and 2 μm thick ZrN coatings deposited on X5CrNi18-10 austenitic steel substrates by PVD technology. Hardness and Young's modulus of coatings, evaluated by nanoindentation, were within the 26–32 GPa, and 330–360 GPa ranges, respectively. Analysis of the adhesion of the coating to the substrate was carried out based on the results of the scratch test. The highest critical load values of LC1 and LC2 were measured for the 1.4 μm thick coating. Tribological tests performed using a ball-on-disc tribotester showed that the wear resistance increases with coating thickness. This was accompanied by a reduction of the coefficient of friction from 0.22 to 0.17.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań tribologicznych powłok ZrN pozwalające określić ich wytrzymałość i odporność na zużycie. Badania przeprowadzono dla powłok ZrN o grubościach 1, 1,4 i 2 μm osadzonych na podłożach ze stali austenitycznej X5CrNi18-10 metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej PVD. Metodą nanoindentacji określono twardość i moduł sprężystości powłok wynoszące odpowiednio 26–32 GPa oraz 330–360 GPa. Analizę wytrzymałości połączenia powłok z podłożem oparto o wyniki testu zarysowania. Najwyższe wartości obciążeń krytycznych LC1 i LC2 zmierzono dla powłoki o grubości 1,4 μm. Testy tribologiczne wykonane w styku kula-tarcza wykazały, że odporność na zużycie powłok rośnie wraz z grubością. Towarzyszy temu zmniejszenie wartości współczynnika tarcia z 0,22 do 0,17.

Słowa kluczowe

EN

coating; friction; wear; indentation

PL

powłoki; tarcie; zużycie

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2017
• Tom: nr 3
• Strony: 39--45
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab., wykr., wz.

Twórcy

autor

Chronowska-Przywara K.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Kot M.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• 1. Michler J., Blank E.: Analysis of coating fracture and substrate plasticity induced by spherical indentors: diamond and diamond-like carbon layers on steel substrates. Thin Solid Films, vol. 381 (2001) 119–134.
• 2. Deng J., Liu J., Zhao J., Song W.: Wear mechanisms of PVD ZrN coated tools in machining, Science Direct. International Journal od Refractory Metals & Hard Materials 26, 2008;164–172.
• 3. Deng J., Liu J., Zhao J., Song W, Niu S., Friction and wear behaviours of the PVD ZrN coated carbide in sliding wear tests and in machining processes. Science Direct. Wear 264, 2008, 298–307.
• 4. Holmberg K., Matthews A., Ronkainen H.: Coatings tribology – contact mechanisms and surface design. Tribology International, 1998, 31; 107–120.
• 5. Bunshah R.F.: Handbook of hard coatings. Noyes Publications N.J. USA 2001.
• 6. Holmberg K., Matthews A.: Coatings tribology: Properties, Mechanisms, Techniques and Applications in Surface Egineering: Elsevier, 2009.
• 7. Chronowska-Przywara K., Kot M., Zimowski S.: Techniki badawcze w analizie właściwości mechanicznych i tribologicznych cienkich warstw i powłok. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej; nr 1904, Transport, s. 39–49 (2014), z. 83.
• 8. ISO 14577-1. Metallic materials – instrumented indentation test for hardness and material parameters – Part 1: Test method.
• 9. Jonsson B., Hogmark S.: Hardness measurements of thin films. Thin Solid Films, vol. 114, 1984, p. 257–269.
• 10. Oliver W.C., Pharr G.M.: An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments, Journal of Materials Research, vol. 7, 1992, p. 1564–1583.
• 11. Kot M., Major Ł., Chronowska-Przywara K., Lackner J. M., Waldhauser W., Rakowski W.: The advantages of incorporating CrxC nanograins into an a−C:H matrix in tribological coatings. Materials and Design, 2014, vol. 56, s. 981–989.
• 12. Kot M.: Analiza właściwości mechanicznych układów powłoka–podłoże przy użyciu metody indentacji z wykorzystaniem wgłębników o różnej geometrii. Tribologia: teoria i praktyka, Polskie Towarzystwo Tribologiczne, Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, 42, nr 2, 2011, s. 47–60.
• 13. EN 1071-3; Advanced technical ceramics – Methods of test for ceramic coatings – Part 3: Determination of adhesion and other mechanical failure modes by a scratch test.
• 14. ISO 20808:2004. Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) – Determination of friction and wear characteristics of monolithic ceramics by ball-on-disc method.
• 15. Kot M., Major Ł., Lackner J., Rakowski W.: Analiza wpływu grubości warstw składowych na deformacje i pękanie powłok wielowarstwowych. Tribologia: teoria i praktyka, nr 4, 2010, s. 181–189.
• 16. Santner E.: Comparison of wear and friction measurements of TiN coatings, Tribologia 139,1995, 7–29.
• 17. Tuszyński W., Szczerek M., Michalczewski R.: Investigation of antiwear coatings de-posited by the PVD process. Tribotester Journal, 2003, nr 10, s. 3–18.
• 18. Michalczewski R., Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński W.: A method for tribological testing of thin hardcoatings. Tribotest Journal, 2002, nr 9, s. 117–130.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).