Tribological behaviour of AISI 316L steel after deposition of Ti-Si-C/Ti-B coatings by dual beam IBAD method

• Autorzy: Twardowska A. , Rajchel B. , Szutkowska M. , Zimowski S.

Warianty tytułu

PL

Właściwości tribologiczne stali AISI 316L z powłoką Ti-Si-C oraz z powłoką dwuwarstwową Ti-B/Ti-Si-C nałożonymi metodą dwuwiązkową IBAD

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this work, the results of mechanical and tribological properties examinations of AISI 316L with bilayered Ti-Si-C/Ti-B coatings deposited by dual beam IBAD method are presented. Nanoindentation test was conducted on coated and uncoated steel substrates using Berkovich-type diamond indenter under the load of 5 mN and 10 mN. Hardness HIT and Young modulus E were calculated using Olivier and Pharr method [1]. Single-pass scratch-test in pin-on-disc configuration and multipass, bidirectional friction-wear test in ball-on-disc configuration were applied to reveal the deformation and wear of the coated samples under non-lubricated sliding conditions. Parameters of DB IBAD process allowed to fonn Ti-Si-C/Ti-B dense, flat (Ra 8 nm) and thin coatings. The thickness of the coating was 3001500 nm, the thickness of the single layer in Ti-Si-C/Ti-B coatings was 150+200 nm. Raman spectra of the coated substrates were recorded at room temperature with laser beam length of 532 nm, working in low and high resolution mode. Analysis of recorded spectra revealed that all deposited coatings were multiphase. There were the peaks in position characteristic for Ti3SiC2 and TiB2 indicating the presence of these phases. Friction coefficient of deposited coating on steel substrates was low, in the range of 0. 12÷0.23. Coatings were well adherent to substrates: critical loads LC1 and LC2 were evaluated as 2 N and 7 N, respectively. The surfaces of coatings were examined in the area of produced indentations, scratch and wear tracks by light microscope and atomic force microscope.

PL

Przedstawiono wyniki badań właściwości mechanicznych i tribologicznych stali AISI 316L z powłoką Ti-Si-C/Ti-B nałożoną metodą dwuwiązkową IBAD. Na pokrytych i niepokrytych podłożach stalowych przeprowadzono testowi nanoindentacji przy użyciu diamentowego wgłębnika Berkovicha, pod obciążeniem 5 mN i 10 mN. Twardość HIT oraz moduł Younga E obliczono metodą Oliviera i Pharra [1]. Dla zbadania odkształcenia i zużycia w warunkach tarcia na sucho przeprowadzono próbę zarysowania powierzchni powłok (scratch-test) w układzie pin-on-disc oraz próbę zużycia w ruchu posuwisto-zwrotnym w konfiguracji ball-on-disc. Parametry procesu dwuwiązkowego IBAD pozwoliły nałożyć gęste, gładkie (Ra 8 nm), cienkie powłoki typu Ti-Si-C/Ti-B. Grubość powłok wynosiła od 300 nm do 500 nm, grubość pojedynczej warstwy w powłoce - od 150 nm do 250 nm. Widma Ramana zarejestrowano z pokrytych podłoży w temperaturze pokojowej, stosując wiązkę światła laserowego o długości fali 532 nm, pracując w trybie niskiej i wysokiej rozdzielczości. Analiza zarejestrowanych widm wykazała, że wszystkie powłoki są wielofazowe. Występujące piki w pozycjach charakterystycznych dla Ti3SiC2 i TiB2 wskazały na obecność tych faz w powłokach. Współczynnik tarcia powierzchni stalowej z powłoką był niski: w zakresie 0,12÷0,23. Powłoki dobrze przylegały do podłoży: krytyczne obciążenie LC1 i LC2 wyniosły odpowiednio 2 N i 7 N. Powierzchnie powłok w obszarze pomiaru twardości, ścieżek zarysowania i zużycia zbadano przy użyciu mikroskopu świetlnego oraz mikroskopu sił atomowych.

Słowa kluczowe

EN

coating; DB IBAD; PVD method; tribological properties; friction coefficient; wear resistance

PL

powłoka; metoda dwuwiązkowa IBAD; metoda PVD; właściwości tribologiczne; współczynnik tarcia; odporność na zużycie ścierne

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 4
• Strony: 382--385
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Twardowska A.

• Department of Mathematics, Physics and Technology, Pedagogical University of Krakow

autor

Rajchel B.

• Institute of Nuclear Physics PAN, Krakow

autor

Szutkowska M.

• Department of Mathematics, Physics and Technology, Pedagogical University of Krakow

autor

Zimowski S.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Krakow

Bibliografia

• [1] Olivier 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 7 (06) (1992) 1564÷1583.
• [2] Vepřek S., Reiprich S.: A concept for the design of novel superhard coatings. Thin Solid Films 268 (1995) 64÷71.
• [3] Grigor”ev O. N., Koroteev A. V., Klimenko A. V., Mayboroda E. E., Prilutskii E. V., Bega N. D.: Fabrication and properties of multilayer ceramics in the SiC-TiB2 system. Refractories and Industrial Ceramics 41 (2000) 390÷395.
• [4] Mroz C.: Titanium diboride. American Ceramic Society Bulletin 74 (6) (1995) 158÷159.
• [5] Berger M., Larsson M.: Mechanical properties of multilayered PVD Ti/TiB2 coatings. Surface Engineering 16 (2000) 122÷126.
• [6] Barsoum M. W.: The Mn÷1AXn phases: A new class of solids. Thennodynamically stable nanolaminates. Progress in Solid State Chemistry 28 (2000) 201÷281.
• [7] Kooi B. J., Poppen R. J., Carvalho N. J. M., De Hosson J. Th. M., Barsoum M. W.: A damage tolerant ceramic studied with nanoindentations and transmission electron microscopy. Acta Materialia 51 (2003) 2859÷2872.
• [8] Li C., Li M. S., Zhou Y. C.: Improving the surface hardness and wear resistance of Ti3SiC2 by boronizing treatment. Surface & Coatings Technology 201 (2007) 6005÷6011.
• [9] Eklund P., Beckers M., Jansson U., Högberg H., Hultman L.: The Mn ÷ 1AXn phases: Materials science and thin-film processing. Thin Solid Films 518 (2010) 1851÷1878.
• [10] Savvides N.: Ion-assisted deposition and metastable structures. Thin Solid Films 163 (1988) 13÷32.
• [11] Cotell C. M., Hirvonen J. K.: Effect of ion energy on the mechanical properties of ion beam assisted deposition (IBAD) wear resistant coatings. Surface and Coating Technologies 81 (1) (1996) 118÷125.
• [12] Spanier J. E., Gupta S., Amer M., Barsoum M. W.: Vibrational behavior of the Mn÷1AXn phases from first order Raman scattering (M = Ti, V, C, A = Si, X = C, N). Physical Review B71 (2005) 012103.
• [13] Baca L., Stelzer N.: Adopting sol-gel process for preparation of TiB2 powder from low cost precursors. Journal of European Ceramic Society 28 (2008) 907÷911.
• [14] Goto T., Hirai T.: Chemically vapor deposited Ti3SiC2. Materials Research Bulletin 22 (1987) 1195÷1201.
• [15] Hogberg H., Hultman L., Emmerlich J., Joelsson T., Eklund P., Molina- Aldareguia J. M., Palmquist J. P., Wilhelmsson O., Jansson U.: Growth and characterization of MAX-phase thin philms. Surface and Coating Technology 193 (2005) 6÷10.
• [16] Zhang S.: Nanostructured thin films and coatings. ISBN 978-1-4200-9402-2, CRC Press Taylor & Francis Group LCC, New York, USA (2010).
• [17] Wachtman J. B., Haber R. A.: Ceramic films and coatings. Noyes Publications Mill Road, Park Ridge, New Jersey, USA (1993).