The influence of microstructure of Cr/CrN nanomultilayer coatings on their tribological and mechanical properties

• Autorzy: Kacprzyńska-Gołacka Joanna , Wieciński Piotr , Garbacz Halina , Mazurkiewicz Adam , Sowa Sylwia , Smolik Jerzy

Warianty tytułu

PL

Wpływ mikrostruktury na właściwości mechaniczne oraz trybologiczne powłok nanowielowarstowych Cr/CrN

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

One of the most effective ways of shaping the operating parameters of functional elements is the modification of the surface layer by modern surface engineering technologies. The most perspective directions in the development of surface engineering solutions are multilayer coatings. The appropriate selection of parameters of multi-layered structure such as thickness, chemical composition, microstructure, and the number of component layer in these type coatings enable effective shaping of their properties. However, a characteristic of the mechanical and tribological properties as a function of parameters of a multilayer structure are still unclear in literature. The paper presents the influence of multilayer structure on mechanical and tribological properties of the coatings prepared by arc vacuum technics. The analysis of mechanical properties included hardness, Young’s modulus, and adhesion tests. The analysis of microstructure was performed using Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM). The tribological properties were examined using the pin-on-disc produced by the DUCOM Company. The authors indicated that the multilayer coatings Cr/CrN were characterized by good mechanical and tribological properties. In this paper, the authors confirmed that parameters of the process of the multilayer creation are important in shaping the unique tribological properties of the multilayer coatings.

PL

Jednym z najbardziej efektywnych sposobów kształtowania właściwości eksploatacyjnych elementów użytkowych jest modyfikowanie warstwy wierzchniej poprzez zastosowanie nowoczesnych technologii inżynierii powierzchni. Głównym kierunkiem rozwoju rozwiązań inżynierii powierzchni stały się w ostatnich latach między innymi powłoki wielowarstwowe. Stwarzają one bardzo duże możliwość w zakresie kształtowania ich właściwości poprzez odpowiedni dobór struktury wielowarstwowej, w tym: grubość, ilość, mikrostruktura oraz skład chemiczny warstw składowych. Nadal jednak charakterystyka ich właściwości mechanicznych oraz trybologicznych w funkcji parametrów ich wielowarstwowej konfiguracji pozostaje niejasna w dostępnej literaturze. W artykule przedstawiono wpływ parametrów budowy wielowarstwowej powłok Cr/CrN wytwarzanych metodą łukowo-próżniową na ich właściwości mechaniczne oraz tribologiczne. Analiza właściwości mechanicznych obejmowała badania twardości, modułu Younga oraz badania adhezji metodą zarysowania. Analizę mikrostruktury przeprowadzono z wykorzystaniem skaningowej mikroskopii transmisyjnej (STEM). Badania właściwości tribologicznych zostały przeprowadzone w temperaturze pokojowej z wykorzystaniem testera tribologicznego firmy DUCOM typu pin-on-disc. Autorzy wskazują, iż powłoki nanowielowarstowe Cr/CrN charakteryzują się dobrymi właściwościami mechanicznymi oraz dobrymi właściwościami tribologicznymi. W artykule autorzy potwierdzili wpływ parametrów budowy wielowarstwowej powłok PVD w procesie kształtowania ich właściwości trybologicznych.

Słowa kluczowe

EN

multilayer coatings; PVD; tribological tests

PL

powłoki wielowarstwowe; PVD; badania tribologiczne

• Wydawca: Wydawnictwo Naukowe Instytutu Technologii Eksploatacji - Państwowego Instytutu Badawczego
• Czasopismo: Journal of Machine Construction and Maintenance - Problemy Eksploatacji
• Rocznik: 2019
• Tom: no. 4
• Strony: 9--16
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kacprzyńska-Gołacka Joanna

• Łukasiewicz Research Network - Institute for Sustainable Technologies, Radom, Poland

autor

Wieciński Piotr

• Faculty of Materials Engineering, Warsaw University of Technology, Warsaw, Poland

autor

Garbacz Halina

• Faculty of Materials Engineering, Warsaw University of Technology, Warsaw, Poland

autor

Mazurkiewicz Adam

• Łukasiewicz Research Network - Institute for Sustainable Technologies, Radom, Poland

autor

Sowa Sylwia

• Łukasiewicz Research Network - Institute for Sustainable Technologies, Radom, Poland

autor

Smolik Jerzy

• Łukasiewicz Research Network - Institute for Sustainable Technologies, Radom, Poland

Bibliografia

• 1. Huang S-H., Chen S-F., Kuo Y-Ch., Wang Ch-J., Lee J-W., Chan Y-Ch., Chen H-W., Duh J-G., Hsieh T-E.: Mechanical and tribological properties evaluation of cathodic arc deposited CrN/ZrN multilayer coatings. Surface & Coatings Technology, 2011, 206, pp. 1744-1752.
• 2. Li P., Chen L., Wang S.Q., Yang B., Du Y., Li J., Wu M.J.: Microstructure, mechanical and thermal properties of TiAlN/CrAlN multilayer coatings. Int. Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2013, 40, pp. 51-57.
• 3. Ibrahim R.N., Rahmat M.A., Oskouei R.H., Singh Raman R.K.: Monolayer TiAlN and multilayer TiAlN/CrN PVD coatings as surface modifiers to mitigate fretting fatigue of AISI P20 steel. Engineering Fracture Mechanics, 2015, 137, pp. 64-78.
• 4. Wieciński P., Smolik J., Garbacz H., Kurzydlowski K.J.: Microstructure and mechanical properties of nanostructure multilayer CrN/Cr coatings on titanium alloy. Thin Solid Films, 2011, 519(12), pp. 4069-4073.
• 5. Chim Y.C., Ding X.Z., Zeng X.T., Zhang S.: Oxidation resistance of TiN, CrN, TiAlN and CrAlN coatings deposited by lateral rotating cathode arc. Thin Solid Films, 2009, 517, pp. 4845-4849.
• 6. Yonekura D., Fujita J., Miki K.: Fatigue and wear properties of Ti-6Al-4V alloy with Cr/CrN multilayer coating. Surface & Coatings Technology, 2015, 275, pp. 232-238.
• 7. Kot M., Major Ł., LacknerJ., Rakowski W.:Analysis of influence of sublayer thickness on the deformation mechanism and fracture of Ti/TiN multilayer. Tribologia, 2010, 4, pp. 181-189 [in Polish].
• 8. Chen L., Xu Y.X., Du Y., Liu Y.: Effect of bilayer period on structure, mechanical and thermal properties of TiAlN/AlTiN multilayer coatings. Thin Solid Films, 2015, 592, pp. 207-214.
• 9. Wieciński P., Smolik J., Garbacz H., Kurzydłowski K.J.: Erosion resistance of the nanostructured Cr/ CrN multilayer coatings on Ti6Al4V alloy. Vacuum, 2014, 107, pp. 277-283.
• 10. Wieciński P., Smolik J., Garbacz H., Kurzydłowski K.J.: Microstructure and mechanical properties of nanostructure multilayer CrN/Cr coatings on titanium alloy. Thin Solid Films, 2011, 12, pp. 4069-4073.
• 11. Wieciński P., Smolik J., Garbacz H., Bonarski J., MazurkiewiczA., Kurzydłowski K.J.: Microstructure and properties of metal/ceramic and ceramic/ceramic multilayer coatings on titanium alloy Ti6Al4V. Surface and Coatings Technology, in press, corrected proof.
• 12. Kacprzyńska-Gołacka J., Smolik J., Mazurkiewicz A.: The comparison of antiwear and fatigue properties in higher temperature for PN+CrN and PN+AlCrTiN layer composities. Int. J. Microstructure and Materials Properties, 2014, 9, pp. 15-24.
• 13. Pharr M., Oliver W.C., Brotzen F.R.: On the generality of the relationship between contact stiffness, contact area, and Elastic moduli during indentation. Journal of Materials Research, 1992, 7, pp. 613-617.
• 14. Halling J.: Surface films in tribology. Tribologia, 1982, 1, p. 15.
• 15. Thornton J.A.: High rate thick film growth. Annual Review of Materials Science, 1977, 7, pp. 239-260.
• 16. Pei Y.T., Galvan D., De Hosson J.Th.M., Cavaleiro A.: Nanostructured TiC/a-C coatings for low friction and wear resistant applications. Surface and Coatings Technology, 2005, 198, pp. 44-50.
• 17. Leyland A., Matthews A.: On the significance of the H/E ratio in wear control: a nanocomposite coating approach to optimised tribological behavior. Wear, 2000, 246, pp. 1-11.
• 18. Ezirmik V., Senel E., Kazmanli K., Erdemir A., Ürgen M.: Effect of copper addition on the temperature dependent reciprocating wear behaviour of CrN coatings. Surf. Coat. Technol., 2007, 202, pp. 866-870.
• 19. Bhushan B., Lowry J.A.: Friction and wear studies of various head materials and magnetic tapes in a linear mode accelerated test using a new nanoscratch wear measurement technique. Wear, 1995, 190, pp. 1-15.
• 20. Polcar T., Parreira N.M.G., Novák R.: Friction and wear behaviour of CrN coating at temperatures up to 500 ˚C. Surf. Coat. Technol., 2007, 201, pp. 5228-5235.
• 21. Zhou F., Chen K., Wang M., Xu X., Meng H., Yu M., Dai Z.: Friction and wear properties of CrN coatings sliding against Si3N4 balls in water and air. Wear, 2008, 265, pp. 1029-1037.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).