An Analysis of Mechanical and Tribological Properties of Zr/Zr2N Multilayer Coatings

• Autorzy: Kot Marcin , Lackner Jurgen , Major Łukasz , Szczęch Marcin , Wiązania Grzegorz , Zimowski Sławomir

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0013.5961

Warianty tytułu

PL

Analiza właściwości mechanicznych i tribologicznych powłok wielowarstwowych Zr/Zr2N

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the analysis of effect of the Zr to Zr2N layer thickness ratios of 1:1, 1:2, and 1:4 on the mechanical properties of Zr /Zr2N multilayer coatings. With the increase in the amount of the ceramic phase in the multilayer coating, an increase in hardness from 11 to 14.5 GPa and Young's modulus from 158 to 211 GPa was observed. This was accompanied by improved scratch resistance as critical load LC2 raises from 17 to over 30 N. A ratio increase from 1:1 to 1:2 caused a 3-fold improvement in the coating wear resistance, which was also accompanied by a change in the wear mechanism. However, there was no further improvement of this parameter with a ratio increase to 1:4. Microscopic analysis of wear tracks, using the TEM technique revealed that the Zr metal layers change the direction of crack propagation. This phenomenon results in the improved fracture resistance of multilayer coatings compared to single coatings. Such a mechanism was even observed for the 1:4 coating with the thinnest 58 nm Zr layers.

PL

W pracy przedstawiono analizę wpływu stosunku grubości warstw Zr i Zr2N 1:1, 1:2 i 1:4 na właściwości mechaniczne powłok wielowarstwowych Zr/Zr2N. Wraz ze wzrostem udziału fazy ceramicznej w powłoce wielowarstwowej obserwowano wzrost jej twardości z 11 do 14,5 GPa i modułu Younga ze 158 do 211 GPa. Towarzyszyła temu także poprawa odporności na zarysowanie, o czym świadczy wzrost wartości obciążenia krytycznego LC2 z 17 do ponad 30 N. Wzrost stosunku z 1:1 do 1:2 powodował 3-krotną poprawę odporności na zużycie powłoki, czemu towarzyszyła także zmiana mechanizmu zużywania. Natomiast nie następowała dalsza poprawa tej cechy przy wzroście stosunku do 1:4. Analizy mikroskopowe torów tarcia przy użyciu techniki TEM wykazały, że warstwy metali Zr powodują zmianę kierunku propagacji pęknięć, co przekłada się na poprawę odporności na pękanie powłok wielowarstwowych w stosunku do powłok pojedynczych. Mechanizm taki obserwowano nawet dla powłoki 1:4, dla której grubość warstwy Zr była najmniejsza i wynosiła 58 nm.

Słowa kluczowe

EN

multilayer coatings; PVD; nanohardness; friction; wear

PL

powłoki wielowarstwowe; PVD; nanotwardość; tarcie; zużycie

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2019
• Tom: nr 4
• Strony: 15--22
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., wz.

Twórcy

autor

Kot Marcin

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

autor

Lackner Jurgen

• Institute for Surface Technologies and Photonics, Functional Surfaces, Leobner Straße 94, A-8712 Niklasdorf, Austria

autor

Major Łukasz

• Polish Academy of Sciences, Institute of Metallurgy and Materials Sciences, Reymonta 25 Street, PL-30059 Krakow, Poland

autor

Szczęch Marcin

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

autor

Wiązania Grzegorz

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

autor

Zimowski Sławomir

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

Bibliografia

• 1. Holmberg K., Matthews A.: Coatings Tribology, Second Edition. Oxford, Elsevier, 2009.
• 2. Zhao L. R., Chen K., Yang Q., Rodgers J. R., Chiou S. H.: Materials informatics for the design of novel coatings. Surface and Coatings Technology, 200 (2005), pp. 1595–1599.
• 3. Zhang S., Sun D., Fu Y., Du H.: Toughness measurement of thin films: a critical review. Surface and Coatings Technology, 198 (2005), pp. 74–84.
• 4. Lackner J. M., Waldhauser W., Major B., Major L., Kot M.: Plastic deformation in nano-scale multilayer materials – a biomimetic approach based on nacre. Thin Solid Films, 534 (2013), pp. 417–425.
• 5. Kot M., Major Ł., Lackner J., Rakowski W.: Badanie odporności na pękanie i zużycie przez tarcie powłok wielowarstwowych. Tribologia, 254 (2014), pp. 89–99.
• 6. Lackner J. M., Major Ł., Kot M.: Microscale interpretation of tribological phenomena in Ti-TiN soft-hard multilayer coatings on soft austenite steel substrates. Biulletin of Polish Academy of Sciences. Technical Sciences, 59/3 (2011), pp. 343–355.
• 7. Wu Z. G., Zhang G. A., Wang M. X., Fan X. Y., Yan P. X., Xu T.: Structure and mechanical properties of Al/AlN multilayer with different AlN layer thickness. Applied Surface Science, 253 (2006), pp. 2733–2738.
• 8. Romero J., Esteve J., Lousa A.: Period dependance of hardness and microstructure on nanometric Cr/CrN multilayers. Surface and Coatings Technology, 188–189 (2004), pp. 338–343.
• 9. Kot M., Major L., Lackner J., Rakowski W.: Enhancement of mechanical and tribological properties of Ti/TiN multilayers over TiN single layer, Journal of the Balkan Tribological Association, 18 (2012), pp. 92–105.
• 10. Kot M., Rakowski W., Zimowski S.: Efekt synergiczny w multiwarstwach typu Ti/TiN oraz Cr/CrN w świetle badań mikromechanicznych i tribologicznych. Tribologia, 218 (2008), pp. 297–307.
• 11. ISO 14577-1:2015 Metallic materials – instrumented indentation test for hardness and material parameters – Part 1: Test method.
• 12. EN 200502:2005. Advanced technical ceramics – methods of test for ceramic coatings – Part 3: determination of adhesion and other mechanical failure modes by a scratch test.
• 13. ISO 20808:2016. Fine ceramics (advanced ceramics, advanced technical ceramics) – determination of friction and wear characteristics of monolithic ceramics by ball-on-disc method.
• 14. Kot M.: Contact mechanics of coating-substrate systems: single and multilayer coatings. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 12 (2012), pp. 464–470.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).