Porównanie właściwości tribologicznych warstw węglowych nanoszonych za pomocą różnych technologii plazmowych

• Autorzy: Piątkowska A. , Dudek M. , Cłapa M.

Warianty tytułu

EN

Comparison of tribological properties of carbon layers deposited by different plasma methodv

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Warstwy węglowe dzięki swoim właściwościom fizykochemicznym znajdują coraz szersze zastosowanie w wielu dziedzinach życia. Jedną z najistotniejszych cech charakteryzujących ich przydatność są właściwości tribologiczne. W pracy przedstawiono wyniki prób tribologicznych w tarciu ślizgowym z węzłem tarcia kula-powierzchnia płaska z warstwą węglową wytworzoną różnymi technologiami plazmowymi. Warstwy węglowe na podłożach krzemowych, stalowych (AISI 316L) i ze stopu tytanu (Ti6Al4V) były wytwarzane w procesach chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganych plazmą częstotliwości radiowej (RF PECVD), plazmą dwóch częstotliwości (mikrofalową i częstości radiowej - MW/RF PECVD) oraz w procesie MS/RF PECVD - plazma wspomagana rozpylaniem magnetronowym w celu wytworzenia gradientowej warstwy Ti:C. Podstawowym kryterium preparatyki próbek w każdej z metod było uzyskanie warstwy o jak największej grubości przy zachowaniu dobrej adhezji do podłoża. Grubość warstw węglowych określono na przekrojach wykonanych metodą FIB (Focused Ion Beam) z użyciem jonów galu na elektronowym mikroskopie skaningowym AURIGA. Grubość warstw węglowych wykonanych metodą RF PECVD, MW/RF PECVD oraz MS/RF PACVD wynosiła odpowiednio: 450 nm, 100÷200 nm i 1600 nm. Badania tribologiczne przeprowadzono z użyciem testera z mikrosondą pod obciążeniem 0,8 N i 2,4 N. Warstwy bardzo odporne na zużycie zostały dodatkowo zbadane pod obciążeniami 10 N i 20 N. Ślady tarcia zobrazowano mikroskopowo i wykonano ich częściowe przekroje przedstawiające uszkodzenia warstwy i materiału podłoża. Właściwości tribologiczne warstw węglowych porównano według metody jej nałożenia oraz rodzaju podłoża. Warstwa gradientowa na podłożu Ti6Al4V wykazała największą odporność na zużycie cierne.

EN

Carbon layers due to their physicochemical properties are increasingly used in many areas of life. One of the most important characteristics of their usefulness, are the tribological properties. This paper presents the results of tribological tests of carbon layers produced by different plasma technologies which were performed during sliding friction with “ball-plan” friction node. Carbon layers on silicon, steel (AISI 316) and titanium alloy (Ti6Al4V) substrates were produced in the processes of radio frequency plasma-assisted chemical vapour deposition (RF PECVD), microwave and radio frequency CVD (MW/RF PECVD) and in the magnetron plasma assisted atomization (MS/RF PECVD) to produce a gradient layer Ti:C. The basic criterion for preparation of samples in each of the methods was to obtain a layer with as great thickness as possible. The thickness of the carbon layers was determined by performing cross-sections by Focused Ion Beam (FIB) method with gallium ions using the scanning electron microscope AURIGA (Zeiss). The thickness of the carbon layers deposited by RF PECVD, MW/RF PECVD and MS/RF PACVD methods Were as follows: 450 nm, 100÷200 nm and 1600 nm. The friction tests were performed using the microprobe tester, with the load of 0.8 N and 2.4 N. The layers with high resistance were further examined under the loads of 10 N and 20 N. Traces of friction were visualized microscopically. Their partial cross sections showing damage of both the layer and the substrate material were made. Tribological properties of carbon layers were compared according to the method of their deposition and the type of substrate used. The gradient layer on Ti6Al4V substrate showed the strongest resistance against abrasive wear.

Słowa kluczowe

PL

warstwy węglowe; PECVD; tarcie; zużycie

EN

carbon layer; PECVD; friction; wear

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 5
• Strony: 534--537
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Piątkowska A.

• Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, Warszawa

autor

Dudek M.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

autor

Cłapa M.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

Bibliografia

• [1] Nueville S., Matthews A.: A perspective on the optimization of hard carbon and related coatings for engineering applications. Thin Solid Films 515 (2007) 6619÷6653.
• [2] Aisenberg S., Chabot R.: Ion-beam deposition of thin films of diamondlike carbon. J. Appl. Phys. 42 (1971) 2953÷2958.
• [3] Has Z., Mitura S., Cłapa M., Szmidt J.: Electrical properties of thin carbon films obtained by RF methane decomposition on an RF-powered negatively self-biased electrode. Thin Solid Films 136 (1986) 161÷166.
• [4] Mitura S., Has Z., Gorokhovsky V. I.: System for depositing hard diamond-like films onto complex-shaped machine elements in an r.f. arc plasma. Surf. Coat. Technol. 47 (1991) 106÷112.
• [5] Ha P. C. T., McKenzie D. R., Bilek M. M. M., Doyle E. D., McCulloch D. G., Chu P. K.: Control of stress and delamination in single and multi-layer carbon thin films prepared by cathodic arc and RF plasma deposition and implantation. Surf. Coat. Technol. 200 (2006) 6405÷6408.
• [6] Lifshitz Y.: Hydrogen-free amorphous carbon films: correlation between growth conditions and properties. Diamond and Related Materials 5 (1996) 388÷400.
• [7] Batory D., Cłapa M., Mitura S.: Warstwy gradientowe Ti:C wytwarzane W plazmie RF PACVD z udziałem rozpylania magnetronowego. Inżynieria Materiałowa 5 (153) 2006 868÷870.
• [8] Cłapa M., Batory D.: Improving adhesion and wear resistance of carbon coatings using Ti:C gradient layers. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 1-2 (2007) 415÷418.
• [9] Oka Y., Nishijima M., Hiraga K., Yatsuzuka M.: Effect of ion implantation layer on adhesion of DLC film by plasma-based ion implantation and deposition. Surf. Coat. Tech. 201 (2007) 6647÷6650.
• [10] Guojia M., Shuili G., Guoiqiang L., Lin Z., Gang S.: A study of structure and properties of Ti-doped DLC film by reactive magnetron sputtering with ion implantation. App. Surf. Sci. 258 (2012) 3045÷3050.
• [11] Wang P., Wang X., Xu T., Liu W., Zhang J.: Comparing internal stress in diamond-like carbon films with different structure. Thin Solid Films 515 (2007) 6899÷6903.
• [12] Schroeder A., Francz G., Bruinik A., Roland H., Mayer J., Wintermantel E.: Titanium containing amorphous hydrogenated carbon films (a-C H/Ti): surface analysis and evaluation of cellular reactions using bone marrow cell cultures in vitro. Biomaterial 21 (2000) 449÷456.
• [13] Wang L., Shanohong W., Wang S. C.: Gradient DLC-based nanocomposite coatings as a solution to improve tribological performance of aluminium alloy. Tribol. Lett. 38 (2010) 155÷160.
• [14] Fujii M., Kumar M., Yoshida A.: Influence of DLC coating thickness on tribological characteristics under sliding rolling contact conditions. Tribology International 44 (2011) 1289÷1295.
• [15] Piątkowska A.: Wpływ grubości warstwy DLC na właściwości tribologiczne w tarciu ślizgowym. Tribologia 3 (2012) 137÷144.