Evaluation of the Tribological Properties of Chromium Nitride and Diamond-Like Carbon Coatings Deposited on X38CrMo16 Steel

• Autorzy: Drabik Szymon , Madej Monika

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0055.2480

Warianty tytułu

PL

Ocena właściwości tribologicznych powłok z azotku chromu z warstwą tlenków i diamentopodobnych osadzonych na stali X38CrMo16

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This study investigates the tribological properties of chromium nitride (CrN+OX) and diamond-like carbon (DLC) coatings. Polished samples (Ra = 0.02÷0.03 µm) were coated with commercial DLC and CrN+OX coatings, as well as a DLC coating deposited in accordance with a proprietary procedure. The coatings were applied using the plasma-assisted chemical vapor deposition (PACVD) method. Surface topography was analyzed under a Leica DCM8 confocal microscope to compare surface parameters before and after coating deposition. Tribological tests were performed using a TRB3 tribometer in a ball on-disc configuration under 10 N load in reciprocating motion under dry friction conditions. Additionally, tribological tests for the proprietary DLC coating were conducted at increased loads of 15 N and 20 N. The measurements of the coefficient of friction and linear wear were recorded. To compare the wear tracks after tribological tests, further observations were performed using a confocal microscope. Surface topography analysis indicated that DLC coatings had little effect on surface roughness parameters, in contrast to the CrN coating. The tribological test results demonstrated that all applied coatings significantly reduced both the coefficient of friction and wear. The lowest coefficient of friction was recorded for the sample with the DLC coating deposited using the proprietary procedure developed at the Advanced Nanotechnology and Nanomaterials Laboratory at the Kielce University of Technology. Meanwhile, the lowest linear wear was observed for the sample with the commercial DLC coating. Microscopic profile analysis revealed that the smallest wear track depth was obtained for the sample coated with DLC using the proprietary deposition process.

PL

W artykule badano właściwości tribologiczne powłok z azotku chromu (CrN+OX) i diamentopodobnych (DLC – Diamond-Like Carbon). Na wypolerowane próbki (Ra = 0,02÷0,03 µm) naniesiono komercyjne powłoki DLC i CrN+OX oraz powłokę DLC, którą osadzano według autorskiej procedury. Powłoki zostały naniesione metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganego plazmą (PACVD). Przy użyciu mikroskopu konfokalnego DCM8 firmy Leica przeprowadzono obserwacje mikroskopowe, w celu porównania parametrów topografii powierzchni przed i po nałożeniu powłok. Na tribometrze TRB3 wykonano testy tribologiczne w skojarzeniu kula–tarcza przy obciążeniu 10 N w ruchu posuwisto-zwrotnym podczas tarcia technicznie suchego. Dodatkowo dla autorskiej powłoki DLC wykonano testy tribologiczne przy zwiększonym obciążeniu (15 i 20 N). Rejestrowano przebiegi wartości współczynników tarcia oraz zu życia liniowego. W celu porównania śladów wytarcia po testach tribologicznych przeprowadzono obserwacje za pomocą mikroskopu konfokalnego. Analiza topografii powierzchni wskazała, że osadzone powłoki DLC nieznacznie wpływają na zmianę para metrów topografii powierzchni, w odróżnieniu od powłoki CrN. Wyniki testów tribologicznych wskazały, że każda z zastosowanych powłok znacząco zmniejszyła zarówno współczynnik tarcia, jak i zużycie. Najmniej szy współczynnik tarcia zarejestrowano dla próbki z powłoką DLC osadzoną według procedury opracowanej w Laboratorium Zaawansowanych Nanotechnologii i Nanomateriałów Politechniki Świętokrzyskiej, natomiast najmniejszą wartość zużycia liniowego zarejestrowano dla próbki z komercyjną powłoką DLC. Analiza profili uzyskanych poprzez obserwacje mikroskopowe wskazała, że najmniejszą głębokość śladu wytarcia uzyskano dla próbki z powłoką DLC osadzaną według autorskiej procedury.

Słowa kluczowe

EN

injection mold; PACVD; Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition; friction; plastic; coefficient of friction; X38CrMo16; wear

PL

forma wtryskowa; PACVD; Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition; tarcie; tworzywo sztuczne; współczynnik tarcia; X38CrMo16; stal nierdzewna; zużycie

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2025
• Tom: nr 2
• Strony: 31--41
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Drabik Szymon

• Kielce University of Technology, Faculty of Mechatronics and Mechanical Engineering, Tysiąclecia Państwa Polskiego 7 Ave., 25-314 Kielce, Poland

• https://orcid.org/0009-0002-8002-0636

autor

Madej Monika

• Kielce University of Technology, Faculty of Mechatronics and Mechanical Engineering, Tysiąclecia Państwa Polskiego 7 Ave., 25-314 Kielce, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-9892-9181

Bibliografia

• 1. Walter M., Mohren P.: How to make injection molds. Carl Hanser Verlag GmbH & Company KG, 2001.
• 2. Douglas M. B.: Plastic Injection Molding. Society of Manufacturing Engineers, 1996.
• 3. Chen M., Liu J.: Cost-effective design for injection molding, Robot. Comput. -Integr. Manuf., t. 15,nr 1, 1999.
• 4. Matin I., Hadzistevic M., Hodolic J., Vukelic D., Lukic D.: A CAD/CAE-integrated injection molddesign system for plastic products, Int. J. Adv. Manuf. Technol., t. 63, nr 5, pp. 595–607, 2012.
• 5. Hwang S., Kim J.: Injection mold design of reverse engineering using injection molding analysis andmachine learning, J. Mech. Sci. Technol., t. 33, nr 8, pp. 3803–3812, 2019.
• 6. Kazmer D.: Injection Mold Design Engineering. Hanser, 2007.
• 7. John G.: Injection Molding of Thermoplastic Materials – 2. Springer US, 2013.
• 8. Schoenherr M., Ruehl H., Guenther T., Zimmermann A., Gundelsweiler B.: Adhesion-Induced Demolding Forces of Hard Coated Microstructures Measured with a Novel Injection Molding Tool,Polymers, t. 15, nr 5, 2023.
• 9. Antonowicz M., Kurpanik R., Walke W., Basiaga M., Sondor J., Paszenda Z.: Selected Physicochemical Properties of Diamond Like Carbon (DLC) Coating on Ti-13Nb-13Zr Alloy Used for Blood Contacting Implants, Materials, t. 13, nr 22, 2020.
• 10. Maitham M., Hamza A. Tameem A.: The effect of diamond like carbon coating on the wear resistance at dry sliding conditions, Mater. Res. Express, t. 9, nr 11, p. 116504, 2022.
• 11. Zhang C.: Effect of a-C interlayers on the mechanical and superlubricious properties of hydrogenated amorphous carbon films, Thin Solid Films, t. 753, p. 139275, 2022.
• 12. Baptista A., Silva J. G. F., Porteiro J., Míguez J. L., Pinto G., Fernandes L.: On the Physical Vapour Deposition (PVD): Evolution of Magnetron Sputtering Processes for Industrial Applications, Procedia Manuf., t. 17, pp. 746–757, 2018.
• 13. Sharifahmadian O., Mahboubi F.: A comparative study of microstructural and tribological properties of N-DLC/DLC double layer and single layer coatings deposited by DC-pulsed PACVD process, Ceram.Int., t. 45, nr 6, pp. 7736–7742, 2019.
• 14. Mitterer C.: Industrial applications of PACVD hard coatings, Surf. Coat. Technol., t. 163–164, pp. 716–722, 2003.
• 15. Strnad G., Buhagiar J.: Latest developments in PVD coatings for tooling, Sci. Bull. Petru Maior Univ. Targu Mures, t. 7, sty. 2010.
• 16. Fukui H., Okida J., Omori N., Moriguchi H., Tsuda K.: Cutting performance of DLC coated tools in dry machining aluminum alloys, Surf. Coat. Technol., t. 187, nr 1, pp. 70–76, 2004.
• 17. Du J., Hao T., Su G., Zhang P., Sun Y., Zhang J.: Finite element investigation of cutting performanceof Cr/W-DLC/DLC composite coated cutting tool, Int. J. Adv. Manuf. Technol., t. 118, nr 7, pp. 2177–2192, 2022.
• 18. Hao T., Du J., Su G., Zhang P., Sun Y., Zhang J.: Mechanical and cutting performance of cementedcarbide tools with Cr/x/DLC composite coatings, Int. J. Adv. Manuf. Technol., t. 106, nr 11, pp. 5241–5254, 2020.
• 19. Nunthavarawong P., Rangappa S. M., Siengchin S., Dohda K.: Diamond-Like Carbon Coatings:Technologies and Applications, CRC Press, 2022.
• 20. Martins P. S., Magalhães Júnior P. A. A., Carneiro J. R. G., Ba E. C. T., Vieira V. F.: Study of Diamond-Like Carbon coating application on carbide substrate for cutting tools used in the drilling process of an Al–Sialloy at high cutting speeds, Wear, t. 498–499, s. 204326, 2022.
• 21. Ziberov M., de Oliveira D., da Silva M. B., Hung W. N. P.: Wear of TiAlN and DLC coated microtools in micromilling of Ti-6Al-4V alloy, J. Manuf. Process., t. 56, pp. 337–349, 2020.
• 22. Silva J. G. F ., Martinho R. P., Alexandre R. J. D., Baptista A. P. M.: Increasing the wear resistance of moldsfor injection of glass fiber reinforced plastics, Wear, t. 271, nr 9, pp. 2494–2499, 2011.
• 23. Muralidharan K.: Comprehensive Overview of Nano, Micro, and Macro Tribometers in Practice, J. Bio-Tribo-Corros., t. 10, nr 3, p. 44, 2024.
• 24. Prost J., Boidi G., Lebersorger T., Varga M., Vorlaufer G.: Comprehensive review of tribometer dynamics-Cycle-based data analysis and visualization, Friction, t. 10, nr 5, pp. 772–786, maj 2022.
• 25. Przepiórka J., Szczerek M.: Materiałowo-energetyczne podstawy kształtowania charakterystyk tribologicznych układu metal-polimer, Quart. Tribol., t. 226, nr 4, pp. 20–29, 2009.
• 26. Marikowska A., Piekoszowski W., Szczerek M.: The investigation of the friction and wear of antiwear coatings in a vacuum, Quart. Tribol., t. 225, nr 3, pp. 1–15, 2009.
• 27. Osuch-Słomka E., Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszyński N.: Studies of the surface fatigue life of nanolayer coated pairs, Quart. Tribol., t. 270, nr 6, pp. 15–25, 2016.
• 28. Radoń-Kobus K., Madej M., Kowalczyk J., Piotrowska K.: Properties of Diamond-like Tungsten Doped Carbon Coatings Lubricated with Cutting Fluid, Coatings, t. 14, nr 3, 2024.
• 29. Tuszyński W., Kalbarczyk M., Michalczewski R., Stachura K., Szczerek M., Wieczorek A.: Effects ofthe Application of Low-Friction Coatings in the Gear of a Chain Conveyor, Quart. Tribol., t. 264, nr 6, pp. 121–137, 2015.
• 30. Michalczewski R.: Scuffing Resistance of Friction Joints with Low-Friction Coated Parts in Various Material Combinations, Quart. Tribol., t. 224, nr 2, pp. 93–106, 2009.
• 31. Madej M., Ozimina D.: Właściwości tribologiczne powłok DLC. Tribologia, 2012, nr 3, pp. 95–102.
• 32. Ozimina D., Madej M., Kowalczyk J., Suchanek J., Taticek F., Kolariikova M.: Zużycie powłok diamentopodobnych w zależności od rodzaju kompozycji powłokowej i materiałów pary trącej.Tribologia, nr 3, pp. 127–136, 2012.
• 33. Madej M., Radon-Kobus K., Milewski K., Drabik S., Piotrowska K., Kowalczyk J.: Tribological properties of diamond-like-carbon coating doped with tungsten. Metalurgija, t. 63, nr 1, pp. 85–88, 2024.