Properties of Al2O3 Ceramic Coatings Applied by ALD Method on 100Cr6 Steel

• Autorzy: Radoń-Kobus Krystyna , Madej Monika

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0015.9722

Warianty tytułu

PL

Właściwości powłok ceramicznych Al2O3 osadzanych metodą ALD na stali 100Cr6

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The purpose of the paper was to assess the morphology, chemical composition, geometric surface structure and contact angle, as well as to analyse the tribological properties of Al₂O₃ coatings deposited on 100Cr6 steel using the technique of atomic layers ALD. Al₂O₃ coatings were selected due to their tribological properties, adhesion to the substrate and hardness. Tribological tests were performed in a reciprocating motion in a ballon-disc combination, with a counter-specimen of 100Cr6 steel, under the conditions of technically dry friction. Surface morphology was observed under a scanning microscope, and an EDS analyser enabled the performance of an analysis of the chemical composition of the samples. Wetting of the surface of the Al₂O₃ coating was determined by means of an optical strain gauge. The geometric surface structure before and after the tribological tests was analysed by means of a confocal microscope with an interferometric mode. The tests proved that during technically dry friction, the average coefficient of friction for the Al₂O₃ coating is lower by approximately 30% than for 100Cr6 steel. The tested coatings are characterised by hydrophobicity.

PL

Celem pracy była ocena morfologii, składu chemicznego, struktury geometrycznej powierzchni, kąta zwilżania oraz analiza właściwości tribologicznych powłok Al₂O₃ osadzanych na stali 100Cr6 techniką warstw atomowych ALD. Powłoki Al₂O₃ wytypowano ze względu na ich właściwości tribologiczne, adhezję do podłoża oraz twardość. Testy tribologiczne przeprowadzono w ruchu posuwisto-zwrotnym w skojarzeniu kula–tarcza z przeciwpróbką ze stali 100Cr6 w warunkach tarcia technicznie suchego. Na mikroskopie skaningowym obserwowano morfologię powierzchni, a analizator EDS umożliwił przeprowadzenie analizy składu chemicznego próbek. Przy pomocy tensjometru optycznego określono zwilżalność powierzchni powłoki Al₂O₃. Strukturę geometryczną powierzchni przed i po testach tribologicznych analizowano za pomocą mikroskopu konfokalnego z trybem interferometrycznym. Testy wykazały, że podczas tarcia technicznie suchego średni współczynnik tarcia dla powłoki Al₂O₃ jest około 30% mniejszy niż dla stali 100Cr<6. Badane powłoki charakteryzują się hydrofobowością.

Słowa kluczowe

EN

Al2O3; ceramic coatings; ALD method; tribology

PL

Al2O3; powłoki ceramiczne; ALD; tribologia

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2022
• Tom: nr 2
• Strony: 45--53
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., tab., rys., wykr., wz.

Twórcy

autor

Radoń-Kobus Krystyna

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

• https://orcid.org/0000-0003-3959-9113

autor

Madej Monika

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

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

Bibliografia

• 1. Stachowiak A., Kowalski M.: Tribocorrosion performance of Cr/CrN hybrid layer as a coating for machine components, Coatings 2021, 242-1-242-16.
• 2. Piotrowska K., Madej M.: Influence of TiO2 coating deposited with atomic layer deposition ALD technique on the properties of Ti13Nb13Zr titanium alloy. Metalurgija 2022, pp. 665–668.
• 3. Milewski K., Madej M., Ozimina D.: Tribological properties of diamond like carbon coatings at friction joints lubricated with ionic liquid. Tribologia 2019, 5, pp. 59–69.
• 4. Martin P.M.: Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings, Third Edition: Science, Applications and Technology, Elsevier Inc., Amsterdam, Boston, Heidelberg, London 2010.
• 5. Boryło P., Lukaszkowicz K., Szindler M., Kubacki J., Balin K., Basiaga M., Szewczenko J.: Structure and properties of Al2O3 thin films deposited by ALD process. Vacuum 2016, 131, pp. 319–326.
• 6. Xu F., Luo L., Xiong L., Liu Y.: Microstructure and corrosion behavior of ALD Al2O3 film on AZ31 magnesium alloy with different surface roughness. Journal of Magnesium and Alloys 2020, 8, pp. 480–492.
• 7. Marin E., Guzman L., Lanzutti A., Ensinger W., Fedrizzi L.: Multilayer Al2O3/TiO2 Atomic Layer Deposition coatings for the corrosion protection of stainless steel. Thin Solid Films 2012, 522, pp. 283–288.
• 8. Gonullu M.P., Ates H.: The characteristic evolution of TiO2/Al2O3 bilayer films produced by ALD: Effect of substrate type and wide range annealing temperature. Superlattices and Microstructures 2020, 142, p. 106529.
• 9. Osorio D., Lopez J., Tiznado H., Farias M.H., Hernandez-Landaverde M.A., Ramirez-Cardona M., Yanez-Limon J.M., Gutierrez J.O., Caicedo J.C., Zambrano G.: Structure and surface morphology effect on the cytotoxicty of [Al2O3/ZnO]n/316L SS nanolaminates growth by Atomic Layer Deposition (ALD). Crystals 2020, 10, p. 620.
• 10. Chaaya A.A., Viter R., Baleviciute I., Bechelany M., Ramanvicius A., Gertnere Z., Erts D., Smyntyn V., Miele P.: Tuning optical properties of Al2O3/ZnO nanolaminates synthesised by Atomic Layer Deposition. The Journal of Physical Chemistry 2014, 118, pp. 3811–3819.
• 11. Lee G-B, Song S.H., Lee M-W, Kim Y-J, Choi B-H, Characterisation of physical and mechanical properties of Al2O3-doped ZnO (AZO) thin films deposited on transparent polyimide supports with various ALD process parameters. Applied Surface Science 2021, 535, p. 147731.
• 12. Singh R., Ghosh S., Subbiah A.S., Mahuli N., Sarkar S.K., ALD Al2O3 on hybrid perovskite solar cells: Unveiling the growth mechanism and long-term stability. Solar Energy Materials and Solar Cells 2020, 205, p. 110289.
• 13. 100CR6, W.NR 1.3505, EN ISO 683-17 wysokowęglowa stal łożyskowa https://steeltrans.com.pl/ wyroby-stalowe/lozyskowe/100cr6-wnr-13505-en-iso-683-17/ [access: 22.03.2022].
• 14. ISO 683-17:2014 Heat-treated steels, alloy steels and free-cutting steels – Part 17: Ball and roller bearing steels.
• 15. 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.
• 16. ISO 14577-1 Metallic materials – instrumented indentation test for hardness and material parameters – Part 1: Test method.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).