The Ability of Nanocomposite Carbon Coatings to Withstand Friction under Severe Conditions

• Autorzy: Kot Marcin , Wiązania Grzegorz , Moskalewicz Tomasz

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0013.6568

Warianty tytułu

PL

Zdolność nanokompozytowych powłok węglowych do tarcia w ekstremalnych warunkach

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents an analysis of the micromechanical properties of selected thin, hard anti-wear coatings of the type nc-TiN/a-C and nc-TiC/a-C, which were deposited by magnetron sputtering on a steel substrate. The load carrying capacity of the nanocomposite coatings was analysed in point contact with the use of indentation method, a scratch test, and friction test in contact with a ceramic ball. The hardness and modulus of elasticity of the coatings were determined by an instrumented indentation method using a Vickers indenter. The coating adhesion to the substrate was examined in a scratch test. Tribological tests in sliding contact with an Al2O3 ball were made at various loads to determine the limit load in which normal friction occurs. The results of tribological tests were compared with the resistance to plastic deformation index (H3/E2). It was found that the basic micromechanical parameters of coatings provide important information concerning durability and load carrying capacity. However, while predicting wear, it is also important to investigate the nature of the wear process during friction. The wear nature of the nc-TiN/a-C and nc-TiC/a-C coatings depends on the load value and the number of forced loads.

PL

W pracy przedstawiono analizę właściwości mikromechanicznych wybranych cienkich, twardych powłok przeciwzużyciowych typu nc-TiN/a-C oraz nc-TiC/a-C, które zostały osadzone metodą magnetronowego rozpylania na podłożu stalowym. Zdolność nanokopozytowych powłok do przenoszenia obciążeń analizowano w styku skoncentrowanym metodą indentacyjną poprzez testy zarysowania oraz testy tarciowe z ceramiczną kulą. Twardość i moduł sprężystości powłok określono instrumentalną metodą wciskania wgłębnika Vickersa, a adhezję powłok do podłoża zbadano w teście zarysowania. Testy tribologiczne w ślizgowym styku z kulą Al2O3 wykonano przy różnych obciążeniach w celu określenia granicznego obciążenia, w którym zachodzi tarcie normalne. Wyniki badań tribologicznych porównano ze wskaźnikiem odporności na plastyczną deformację (H3/E2). Stwierdzono, że podstawowe parametry mikromechaniczne powłok niosą ważną informację o trwałości i zdolności do przenoszenia obciążeń, jednak w prognozowaniu zużycia istotne jest również zbadanie charakteru zużycia podczas tarcia. Przebieg procesu zużywania powłok nc-TiN/a-Ci nc-TiC/a-C uzależniony jest od wielkości nacisku oraz liczby wymuszeń obciążeniowych.

Słowa kluczowe

EN

load carrying capacity; nanocomposite coatings; severe wear

PL

nośność; nanokompozytowe powłoki; zużycie patologiczne

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2019
• Tom: nr 5
• Strony: 115--124
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys.wykr., wz.

Twórcy

autor

Kot Marcin

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

autor

Wiązania Grzegorz

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

autor

Moskalewicz Tomasz

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Metals Engineering and Industrial Computer Science, Czarnowiejska 66 Street, 30-059 Krakow, Poland

Bibliografia

• 1. Stachowiak G. W., Batchelor A. W., Stachowiak G. B.: Experimental methods in tribology. In Tribology series vol. 44, Chapter 2 and 3. Elsevier 2004.
• 2. Giannakopoulos A. E., Suresh S.: Determination of elastoplastic properties by instrumented sharp indentation.Scripta Materialia 40 (1999), pp. 1191–1198.
• 3. Ghaderi A., Saha G., Guo T., Fabijanic D., Barnett M. R.: Material wear map for ground-engaging steels based on scratch tests. Wear 404 (2018), pp. 153–165.
• 4. Chronowska-Przywara K., Kot M.: Wpływ parametrów badań na deformację i pękanie układu powłoka-podłoże w wyniku próby zarysowania. Tribologia 2 (2014), pp. 19–29.
• 5. Marciano F. R., Costa R. P. C., Lima-Oliveira D. A., Lobo A. O., Corat E. J., Trava-Airoldi V. J.: Tribological behawior under aggressive environment of diamond-like carbon films with incorporated nanocrystalline diamond particles. Surface and Coatings Technology 206 (2011), pp. 434–439.
• 6. Zimowski S.: Self-lubricating properties of thin coatings based on molybdenum disulphide. Tribologia 3 (2016), pp. 205–215.
• 7. Kot M., Rakowski W., Lackner J. M., Major Ł.: Analysis of spherical indentations of coating-substrate systems: experiments and finite element modeling. Materials and Design 43 (2013), pp. 99–111.
• 8. Bull S. J.: Nanoindentation of coatings. Journal of Physics D: Applied Physics 38(24), (2005) R393-R413.
• 9. Zimowski S.: Wpływ twardości i modułu sprężystości powłok kompozytowych na ich odporność na zużycie. Tribologia 4 (2014), pp. 149–160.
• 10. Kato K.: Classification of wear mechanisms/models. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology 216 (2002), pp. 349–355.
• 11. Holmberg K., Ronkainen H., Matthews A.: Wear mechanisms of coated sliding surfaces. In Tribology series vol. 25. Elsevier 1993, pp. 399–407.
• 12. Piekoszewski W., Szczerek M.: Mechanizmy niszczenia warstw powierzchniowych elementów z powłokami PVD przez pitting. Tribologia 4 (2011), pp. 229–243.
• 13. Hogmark S., Jacobson S., Larsson M.: Design and evaluation of tribological coatings. Wear 246 (1–2), (2000), pp. 20–33.
• 14. Michalczewski R., Piekoszewski W.: Wear and friction characteristics of low friction coatings in dry conditions. Tribologia 26 (2007), pp. 9–21.
• 15. Madej M.: The effect of TiN and CrN interlayers on the tribological behavior of DLC coatings. Wear, 317(2014), pp. 179–187.
• 16. Zimowski S., Kot M., Moskalewicz T.: The Effect of MeC Nanoparticles on the Micromechanical and Tribological Properties of Carbon Composite Coatings. Tribologia 4 (2018), pp. 157–163.
• 17. Sui X., Liu J., Zhang S., Yang J., Hao J.: Microstructure, mechanical and tribological characterization of CrN/DLC/Cr-DLC multilayer coating with improved adhesive wear resistance. Applied Surface Science 439 (2018), pp. 24–32.
• 18. Qiang L., Zhang B., Zhou Y., Zhang J.: Improving the internal stress and wear resistance of DLC film by low content Ti doping. Solid State Sciences 20 (2013), pp. 17–22.
• 19. Pharr G. M., Oliver W. C.: Measurement of thin film mechanical properties using nanoindentation. Mrs Bulletin 17 (1992), pp. 28–33.
• 20. Moskalewicz T., Wendler B., Czyrska-Filemonowicz A.: Microstructural characterisation of nanocomposite nc-MeC/aC coatings on oxygen hardened Ti-6Al-4V alloy. Materials Characterization, 61 (2010), pp. 959–968.
• 21. Lawn B. R., Evans A. G., Marshall D. B.: Elastic/plastic indentation damage in ceramics: the median/radial crack system. Journal of the American Ceramic Society 63 (1980), pp. 574–581.
• 22. Matthews A., Franklin S., Holmberg K.: Tribological coatings: contact mechanisms and selection. Journal of Physics D: Applied Physics 40 (2007), pp. 5463–5475.
• 23. Woon K. S., Rahman M., Neo K. S., Liu K.: The effect of tool edge radius on the contact phenomenon of toolbased micromachining. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 48 (2008), pp. 1395–1407.
• 24. Beake B. D., Harris A. J., Liskiewicz T. W.: Review of recent progress in nanoscratch testing. Tribology-Materials, Surfaces & Interfaces 7(2) (2013), pp. 87–96.
• 25. El Mrabet S., Abad M. D., Sánchez-López J. C.: Identification of the wear mechanism on WC/C nanostructured coatings. Surface and Coatings Technology 206 (2011), pp. 1913–1920.

Uwagi

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