Struktura, morfologia i właściwości mechaniczne powłok AlCrN otrzymanych metodą katodowego odparowania łukowego

Gilewicz, A.; Jędrzejewski, R.; Myśliński, P.; Warcholiński, B.

doi:10.5604/01.3001.0012.2336

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Struktura, morfologia i właściwości mechaniczne powłok AlCrN otrzymanych metodą katodowego odparowania łukowego

Autorzy

Gilewicz A. , Jędrzejewski R. , Myśliński P. , Warcholiński B.

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0012.2336

Warianty tytułu

Structure, morphology and mechanical properties of AlCrN coatings obtained by the method of cathodic arc evaporation

Języki publikacji

Abstrakty

Powłoki AlCrN formowano na podłożach stalowych (HS6-5-2) przy użyciu katodowego odparowania łukowego. Badano wpływ ciśnienia azotu oraz napięcia polaryzacji podłoża na właściwości powłok CrAlN formowanych z katody Al80Cr20, takie jak: skład chemiczny i fazowy, morfologia ich powierzchni, szybkość nanoszenia, twardość i przyczepność do podłoża. Określono, że szybkość nanoszenia powłok w środowisku azotu o ciśnieniu 3 Pa jest największa, a wraz ze wzrostem ujemnego napięcia polaryzacji podłoża szybkość nanoszenia maleje. Parametr chropowatości Ra powierzchni powłok zmniejsza się wraz ze wzrostem ciśnienia azotu podczas ich formowania. Przypuszczalnie jest to związane ze zmniejszaniem się ilości makrocząstek na powierzchni powłoki. Twardość powłok (uwzględniając niepewność pomiarową) jest niezależna od ciśnienia azotu, ale zwiększa się wraz ze wzrostem ujemnego napięcia polaryzacji podłoża. Przyczepność powłoki zwiększa się wraz ze wzrostem ciśnienia azotu do 3–4 Pa, a następnie maleje. Wzrost ujemnego napięcia polaryzacji podłoża podczas formowania powłoki pogarsza jej przyczepność do podłoża.

CrAlN coatings have been formed on steel substrates (HS6-5-2) using cathodic arc evaporation. The influence of nitrogen pres-sure and substrate bias voltage on the properties of CrAlN coatings formed from Al80Cr20 cathode, such as: chemical and phase composition of the coatings, their surface morphology, deposition rate, hardness and adhesion to the substrate have been investigated. It has been determined that the rate of the deposition of coatings in the nitrogen atmosphere with the pressure of 3 Pa is the highest and that with the increase of the negative bias voltage of the substrate the deposition rate decreases. The roughness parameter Ra of the coating surface decreases as the nitrogen pressure increases during their formation. Presumably, this is related to the reduction of the amount of macroparticles on the surface of the coating. The hardness of the coatings (taking into account the measurement uncertainty) is independent of the nitrogen pressure, but it increases with the increase of the negative bias voltage of the substrate. The adhesion of the coating increases with the increase of the nitrogen pressure to 3–4 Pa, and then it decreases. The increase in the negative bias voltage of the substrate during the formation of the coating deteriorates its adhesion to the substrate.

Słowa kluczowe

AlCrN morfologia struktura twardość przyczepność

AlCrN morphology structure hardness adhesion

Wydawca

Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Mechaniki Precyzyjnej

Czasopismo

Inżynieria Powierzchni

Rocznik

2018

Tom

nr 2

Strony

61--69

Opis fizyczny

Bibliogr. 37 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Gilewicz A.

Politechnika Koszalińska Wydział Technologii i Edukacji

autor

Jędrzejewski R.

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Szczecin Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki

autor

Myśliński P.

Politechnika Koszalińska Wydział Technologii i Edukacji

autor

Warcholiński B.

Politechnika Koszalińska Wydział Technologii i Edukacji

Bibliografia

1. Lousa A., Romero J., Martinez E., Esteve J., Montalà F., Carreras L.: Multilayered chromium/chromium nitride coatings for use in pressure die-casting. „Surface and Coatings Technology” 2001, vols. 146–147, p. 268–273.
2. Kaminski J., Rudnicki J., Nouveau C., Savan A., Conde A., Navas C., Cristóbal A.B., Housden J., de Damborenea J.: Characterisation of corrosion and wear behaviour of nanoscaled e-beam PVD CrN coatings. „Surface and Coatings Technology” 2006, vol. 201, issue 6, p. 2690–2695.
3. Beer P.: Resistance to electrochemical corrosion of CrxNy- and DCL-coated steel tools in the environment of wet wood. „Surface and Coatings Technology” 2005, vol. 200, issues 1–4 , p. 83–86.
4. Navinšek B., Panjan P., Milošev I.: Industrial applications of CrN (PVD) coatings, deposited at high and low temperatures. „Surface and Coatings Technology” 1997, vol. 97, issues 1–3, p. 182–191.
5. Chen W., Zheng J., Meng X., Kwon S., Zhang S.: Investigation on microstructures and mechanical properties of AlCrN coatings deposited on the surface of plasma nitrocarburized cool-work tool steels. „Vacuum” 2015, vol. 121, p. 194–201.
6. Reiter A.E., Derflinger V.H., Hanselmann B., Bachmann T., Sartory B.: Investigation of the properties of Al1-xCrxN coatings prepared by cathodic arc evaporation. „Surface and Coatings Technology” 2005, vol. 200, issue 7, p. 2114–2122.
7. Sabitzer C., Paulitsch J., Kolozsvári S., Rachbauer R., Mayrhofer P.H.: Inﬂuence of bias potential and layer arrangement on structure and mechanical properties of arc evaporated Al-Cr-N coatings. „Vacuum” 2014, vol. 106, p. 49–52.
8. Barshilia H.C., Selvakumar N., Deepthi B., Rajam K.S.: A comparative study of reactive direct current magnetron sputtered CrAlN and CrN coatings. „Surface and Coatings Technology” 2006, vol. 201, issue 6, p. 2193–2201.
9. Lin J., Mishra B., Moore J.J., Sproul W.D.: A study of the oxidation behavior of CrN and CrAIN thin films in air using DSC and TGA analyses. „Surface and Coatings Technology” 2008, vol. 202, issue 14, p. 3272–3283.
10. Chim Y.C., Ding X.Z., Zeng X.T., Zhang S.: Oxidation resistance of TiN, CrN, TiAlN and CrAlN coatings deposited by lateral rotating cathode arc. „Thin Solid Films” 2009, vol. 517, issue 17, p. 4845–4849.
11. Aihua L., Jianxin D., Haibing C., Yangyang C., Jun Z.: Friction and wear properties of TiN, TiAlN, AlTiN and CrAlN PVD nitride coatings. „International Journal of Refractory Metals and Hard Materials” 2012, vol. 31, p. 82–88.
12. Banakh O., Schmid P.E., Sanjines R., Levy F.: High-temperature oxidation resistance of Cr1-xAlxN thin films deposited by reactive magnetron sputtering. „Surface and Coatings Technology” 2003, vols. 163–164, p. 57–61.
13. Wang Y.X., Zhang S., Lee J.W., Lew W.S., Li B.: Influence of bias voltage on the hardness and toughness of CrAlN coatings via magnetron sputtering. „Surface and Coatings Technology” 2012, vol. 206, issue 24, p. 5103–5107.
14. Benlatreche Y., Nouveau C., Rahil I., Marchal R., Chekour L.: Comparative Studies on Mo–Cr–N and Al–Cr–N Coatings Obtained by PVD Dual Magnetron Sputtering. „Plasma Processes and Polymers” 2009, vol. 6, issue 1, p. S135–S140.
15. Bobzin K., Brögelmann T., Brugnara R.H.: Aluminum-rich HPPMS (Cr1-xAlx)N coatings deposited with different target compositions and at various pulse lengths. „Vacuum” 2015, vol. 122, part A, p. 201–207.
16. Greczynski G., Lu J., Johansson M.P., Jensen J., Petrov I., Greene J.E., Hultman L.: Role of Tin+ and Aln+ ion irradiation (n = 1, 2) during Ti1-xAlxN alloy film growth in a hybrid HIPIMS/magnetron mode. „Surface and Coatings Technology” 2012, vol. 206, issues 19–20, p. 4202–4211.
17. Bagcivan N., Bobzin K., Grundmeier G., Wiesing M., Ozcan O., Kunze C., Brugnara R.H.: Influence of HPPMS pulse length and inert gas mixture on the properties of (Cr, Al)N coatings. „Thin Solid Films” 2013, vol. 549, p. 192–198.
18. Romero J., Gómez M.A., Esteve J., Montalà F., Carreras L., Grifol M., Lousa A.: CrAlN coatings deposited by cathodic arc evaporation at different substrate bias. „Thin Solid Films” 2006, vol. 515, issue 1, p. 113–117.
19. Reiter A.E., Mitterer C., Rebelo de Figueiredo M., Franz R.: Abrasive and Adhesive Wear Behavior of Arc-Evaporated Al1-xCrxN Hard Coatings. „Tribology Letters” 2010, vol. 37, issue 3, p. 605–611.
20. Wang L., Zhang S., Chen Z., Li J., Li M.: Influence of deposition parameters on hard Cr–Al–N coatings deposited by multi-arc ion plating. „Applied Surface Science” 2012, vol. 258, issue 8, p. 3629–3636.
21. Wan X.S., Zhao S.S., Yang Y., Gong J., Sun C.: Effects of nitrogen pressure and pulse bias voltage on the properties of Cr-N coatings deposited by arc ion plating. „Surface and Coatings Technology” 2010, vol. 204, issue 11, p. 1800–1810.
22. Gilewicz A., Goluch B., Kukliński Z., Warcholiński B.: Wybrane właściwości mechaniczne powłok AlCrN otrzymanych metodą katodowego odparowania łukowego. „Mechanik” 2016, nr 5-6, s. 538–539.
23. Park I.W., Kang D.S., Moore J.J., Kwon S.C., Rha J.J., Kim K.H.: Microstructures, mechanical properties, and tribological behaviors of Cr–Al–N, Cr–Si–N, and Cr–Al–Si–N coatings by a hybrid coating system. „Surface and Coatings Technology” 2007, vol. 201, issues 9–11, p. 5223–5227.
24. Gilewicz A., Warcholiński B.: Właściwości powłok AlCrN otrzymanych metodą katodowego odparowania łukowego. „Inżynieria Powierzchni” 2015, nr 4, s. 11–18.
25. Wang D.Y., Weng K.W.: Deposition of CrN coatings by current-modulating cathodic arc evaporation. „Surface and Coatings Technology” 2001, vol. 137, issue 1, p. 31–37.
26. Helmersson U., Lattemann M., Bohlmark J., Ehiasarian A.P., Gudmundsson J.T.: Ionized physical vapor deposition (IPVD): A review of technology and applications. „Thin Solid Films” 2006, vol. 513, issues 1–2, p. 1–24.
27. Warcholinski B., Gilewicz A., Ratajski J., Kuklinski Z., Rochowicz J.: An analysis of macroparticle-related defects on CrCN and CrN coatings in dependence of the substrate bias voltage. „Vacuum” 2012, vol. 86, issue 9, p. 1235–1239.
28. Creasey S., Lewis D.B., Smith I.J., Münz W.D.: SEM image analysis of droplet formation during metal ion etching by a steered arc discharge. „Surface and Coatings Technology” 1997, vol. 97, issues 1–3, p. 163–175.
29. Münz W.D., Smith I.J., Lewis D.B., Creasey S.: Droplet formation on steel substrates during cathodic steered arc metal ion etching. „Vacuum” 1997, vol. 48, issue 5, p. 473–481.
30. Takadoum J., Houmid Bennani H.: Influence of substrate roughness and coating thickness on adhesion, friction and wear of TiN films. „Surface and Coatings Technology” 1997, vol. 96, issues 2–3, p. 272–282.
31. Valleti K., Rejin C., Joshi S.V.: Factors influencing properties of CrN thin films grown by cylindrical cathodic arc physical vapor deposition on HSS substrates. „Materials Science and Engineering: A” 2012, vol. 545, p. 155–161.
32. Cai F., Zhang S., Li J., Chen Z., Li M., Wang L.: Effect of nitrogen partial pressure on Al–Ti–N ﬁlms deposited by arc ion plating. „Applied Surface Science” 2011, vol. 258, issue 5, p. 1819–1825.
33. Adesina A.Y., Gasem Z.M., Al-Badour F.A.: Characterization and evaluation of AlCrN coated FSW tool: A preliminary study. „Journal of Manufacturing Processes” 2017, vol. 25, p. 432–442.
34. Lupicka O., Warcholinski B.: The Adhesion of CrN Thin Films Deposited on Modified 42CrMo4 Steel. „Advances in Materials Science and Engineering” 2017, ID 4064208, doi.org/10.1155/2017/4064208.
35. Bujak J., Paćko D., Smolik J.: Optimising tribological properties of anti-wear AlCrN coatings deposited by the cathodic arc method. „Tribologia” 2014, nr 6, s. 11–22.
36. Odén M., Almer J., Håkansson G.: The effects of bias voltage and annealing on the microstructure and residual stress of arc-evaporated Cr-N coatings. „Surface and Coatings Technology” 1999, vols. 120–121, p. 272–276.
37. Lomello F., Sanchette F., Schuster F., Tabarant M., Billard A.: Influence of bias voltage on properties of AlCrN coatings prepared by cathodic arc deposition. „Surface and Coatings Technology” 2013, vol. 224, p. 77–81.

Uwagi

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

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-8a8328d0-e8c1-4f45-841e-52a12b3ff795