The Effect of MeC Nanoparticles on the Micromechanical and Tribological Properties of Carbon Composite Coatings

• Autorzy: Zimowski S. , Kot M. , Moskalewicz T.

Warianty tytułu

PL

Wpływ nanocząstek MeC na właściwości mikromechaniczne i tribologiczne kompozytowych powłok węglowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Nanocomposite carbon coatings composed of a nanocrystalline phase and an amorphous carbon matrix (a-C or a-C:H) are an important group of coatings for tribological applications, especially if low friction is desired. Strong adhesion between the coating and the substrate as well as the ability to carry load are particularly important in ensuring the durability of the system. In this paper, the impact of a reinforcing phase in the form of hard carbides of chromium, titanium and tungsten (MeC) on the micromechanical and tribological properties of MeC/a-C coatings were analysed. The microhardness and modulus of elasticity using the indentation method and adhesion of these coatings to the substrate in scratch tests were determined. On the basis of tribological tests, the friction coefficient and wear rate of the coatings were determined during nonlubricated sliding contact with an alumina ball. The tested nanocomposite coatings showed very good sliding properties and wear resistance. The nc-WC/a-C and nc-TiC/a-C coatings exhibit the smallest coefficient of friction (below 0.1) and the highest wear resistance. The presence of nanocrystalline carbides in the amorphous carbon matrix limits the propagation of cracks in the coatings and allows the higher load carrying capacity.

PL

Nanokompozytowe powłoki węglowe złożone z nanokrystalicznej fazy i amorficznej osnowy węglowej (a-C lub a-C:H) stanowią ważną grupę powłok do zastosowań tribologicznych, zwłaszcza jeżeli pożądane jest niskie tarcie. Silna adhezja pomiędzy powłoką i podłożem oraz zdolność do przenoszenia obciążeń stykowych są szczególnie ważne w zapewnieniu trwałości systemu. W pracy dokonano analizy wpływu fazy wzmacniającej w postaci twardych węglików chromu, tytanu i wolframu (MeC) na właściwości mikromechaniczne i tribologiczne powłok MeC/a-C. Wyznaczono mikrotwardość i moduł sprężystości tych powłok metodą indentacyjną oraz ich adhezję do podłoża w teście zarysowania. Na podstawie badań tribologicznych w niesmarowanym styku ślizgowym typu kula/tarcza wyznaczono współczynnik tarcia oraz wskaźnik zużycia objętościowego powłok. Badane powłoki nanokompozytowe wykazały bardzo dobre właściwości ślizgowe oraz odporność na zużycie. Powłoki nc-WC/a-C i nc-TiC/a-C mają najmniejszy współczynnik tarcia poniżej wartości 0,1 i największą odporność na zużycie. Obecność w amorficznej osnowie węglowej nanokrystalicznych węglików ogranicza pękanie tych powłok i umożliwia przenoszenie większych obciążeń.

Słowa kluczowe

EN

carbon coatings; nanocomposite; low friction; wear resistance

PL

powłoki węglowe; nanokompozyty; niskie tarcie; odporność na zużycie

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2018
• Tom: nr 4
• Strony: 157--163
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Zimowski S.

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

autor

Kot M.

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

autor

Moskalewicz T.

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

Bibliografia

• 1. Donnet C., Erdemir A. : Historical developments and new trends in tribological and solid lubricant coatings. Surface and coatings technology 180 (2004), 76–84.
• 2. Ding H. H., Fridrici V., Geringer J., Fontaine J., Kapsa P.: Influence of diamond-like carbon coatings and roughness on fretting behaviors of Ti–6Al–4V for neck adapter–femoral stem contact. Wear 406 (2018), 53–67.
• 3. 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), 24–32.
• 4. Michalczewski R., Piekoszewski W., Szczerek M., Tuszynski W.: The lubricant-coating interaction in rolling and sliding contacts. Tribology International 42(4), (2009), 554–560.
• 5. Madej M.: The effect of TiN and CrN interlayers on the tribological behavior of DLC coatings. Wear, 317(1–2), 179–187.
• 6. Beake B. D., Liskiewicz T. W., Vishnyakov V. M., Davies M. I.: Development of DLC coating architectures for demanding functional surface applications through nano-and micro-mechanical testing. Surface and Coatings Technology 284, (2015), 334–343.
• 7. Zimowski S., Moskalewicz T., Wendler B., Kot M., Czyrska-Filemonowicz A.: Thick low-friction nc-MeC/a-C nanocomposite coatings on Ti-6Al-4V alloy: microstructure and tribological properties in sliding contact with a ball. Metallurgical and Materials Transactions A, 45(9), (2014), 3916–3928.
• 8. Martínez-Martínez D., López-Cartes C., Fernández A., Sánchez-López J. C.: Influence of the microstructure on the mechanical and tribological behavior of TiC/a-C nanocomposite coatings. Thin Solid Films 517(5), (2009), 1662–1671.
• 9. Leyland A., Matthews A.: On the significance of the H/E ratio in wear control: a nanocomposite coating approach to optimised tribological behavior. Wear 246 (2000), 1–11.
• 10. Fox-Rabinovich G. S., Veldhuis S. C., Scvortsov V. N., Shuster L. S., Dosbaeva G. K., Migranov M. S.: Elastic and plastic work of indentation as a characteristic of wear behavior for cutting tools with nitride PVD coatings. Thin Solid Films, 469, (2004), 505–512.
• 11. Zimowski S.: Wpływ twardości i modułu sprężystości powłok kompozytowych na ich odporność na zużycie. Tribologia 4, (2014), 149–160.
• 12. Zimowski S., Rakowski W., Kot M.: Właściwości mechaniczne i tribologiczne wybranych powłok stosowanych w technologii "duplex". Tribologia (3–4), (2007), 421–432.
• 13. Moskalewicz T., Wendler B., Zimowski S., Dubiel B., Czyrska-Filemonowicz A.: Microstructure, micromechanical and tribological properties of the nc-WC/aC nanocomposite coatings magnetron sputtered on nonhardened and oxygen hardened Ti–6Al–4V alloy. Surface and Coatings Technology 205(7), (2010), 2668–2677.
• 14. 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 198 (2005), 44–50.
• 15. Leyland A., Matthews A.: On the significance of the H/E ratio in wear control: a nanocomposite coating approach to optimised tribological behavior. Wear 246 (2000), 1–11.
• 16. Zhang S., Sun D., Fu Y., Du H.: Toughening of hard nanostructural thin films: a critical review. Surface and Coatings Technology, 198 (1–3), (2005), 2–8.
• 17. Zhou S., Wang L., Xue Q.: Duplex doped nanocomposite carbon-based coating with self-lubricating performance. Diamond and Related Materials 21, (2012), 58–65.
• 18. Li X., Bhushan B.: Micro/nanomechanical and tribological characterization of ultrathin amorphous carbon coatings. Journal of materials research 14(6), (1999), 2328–2337.
• 19. Harry E., Rouzaud A., Juliet P., Pauleau Y., Ignat M.: Failure and adhesion characterization of tungsten–carbon single layers, multilayered and graded coatings. Surface and Coatings Technology, 116, (1999), 172–175.
• 20. Voevodin A. A., Zabinski J. S.: Supertough wear-resistant coatings with ‘chameleon’surface adaptation. Thin Solid Films, 370(1–2), (2000), 223–231.
• 21. Zhang S., Sun D., Fu Y., Du H.: Toughness measurement of thin films: a critical review. Surface and Coatings Technology 198(1–3), (2005), 74–84.
• 22. Escudeiro A., Polcar T., Cavaleiro A.: a-C(:H) and a-C(:H)_Zr coatings deposited on biomedical Ti-based substrates: Tribological properties. Thin Solid Films 538, 2013, 89–96.
• 23. Robertson J.: Diamond-like amorphous carbon. Materials Science and Engineering: R: Reports 37.4 (2002), 129–281.

Uwagi

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