Characterization of mechanical properties of S-phase coatings

• Autorzy: Fryska S. , Baranowska J.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2017.4.5

Warianty tytułu

PL

Charakterystyka właściwości mechanicznych powłok zbudowanych z fazy S

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

S-phase (γN, expanded austenite) is a metastable nitrogen and/or carbon supersaturated solid solution in austenitic stainless steel. The phase shows comparable or better corrosion resistance and higher hardness as well as wear resistance than austenitic stainless steel. The paper presents results of investigation on mechanical properties of S-phase coatings deposited by reactive magnetron sputtering on austenitic stainless steel substrates. Substrate temperature (200÷400°C) and nitrogen content in reactive atmosphere (15÷50% vol.) were varied. Hardness and Young’s modulus of the coatings were investigated by nanoindentation. Their adhesion was evaluated by scratch test method. Hardness and Young’s modulus depended on nitrogen content in the atmosphere while substrate temperature had a negligible effect. These mechanical parameters depended on the coating microstructure and grain size rather than on nitrogen content in the coating. Results of scratch tests showed a minor effect of deposition parameters on coatings adhesion. It was also observed that for certain parameters of the deposition process a nitrogen diffusion layer in the substrate may form. The presence of the diffusion layer resulted in a decrease of nitrogen content in the coating, but its effect on hardness and adhesion of the coating was not straightforward.

PL

Modyfikacja powierzchni stali nierdzewnej o strukturze austenitycznej w celu poprawienia jej właściwości mechanicznych i użytkowych, takich jak twardość czy odporność na ścieranie, jest od wielu lat jednym z głównych zadań stawianych przed inżynierią powierzchni. Jedną z metod poprawy właściwości tych stali jest wytworzenie na ich powierzchni warstwy przesyconego azotem i/lub węglem roztworu stałego austenitu, nazywanego fazą S (także γN lub austenitem ekspandowanym). Jedną z powszechnie wykorzystywanych metod w celu wytworzenia fazy S jest proces niskotemperaturowego azotowania. Warstwy zbudowane z fazy S wykazują większą twardość oraz porównywalną, a czasami lepszą, odporność korozyjną niż stal o strukturze austenitycznej [1÷5]. Proces niskotemperaturowy jest prowadzony w temperaturze poniżej 500°C. W ten sposób zapobiega się powstawaniu azotków (najczęściej azotków chromu), których obecność znacznie zmniejsza odporność korozyjną tych stali. Możliwe jest także wytworzenie fazy S w postaci powłoki z wykorzystaniem metody reaktywnego rozpylania magnetronowego [1, 2, 6÷17]. Metoda ta pozwala znacząco obniżyć temperaturę procesu wytwarzania fazy S (nawet poniżej 200°C). Jednocześnie daje ona możliwość łatwego sterowania stężeniem azotu w powłoce przez modyfikację zawartości azotu w komorze reakcyjnej. Możliwość precyzyjnego kontrolowania dwóch podstawowych parametrów procesu pozwala na osadzanie powłok z fazy S o zróżnicowanej grubości, morfologii oraz właściwościach mechanicznych i użytkowych. Celem pracy było zbadanie wpływu temperatury osadzania oraz zawartości azotu w atmosferze reakcyjnej na morfologię i właściwości mechaniczne powłok z fazy S.

Słowa kluczowe

EN

S-phase; nitrogen diffusion layer; coating adhesion; coating hardness

PL

faza S; warstwa dyfuzyjna azotu; przyczepność powłok; twardość powłok

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 38, nr 4
• Strony: 183--188
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Fryska S.

• West Pomeranian University of Technolog, Szczecin

autor

Baranowska J.

• West Pomeranian University of Technolog, Szczecin

Bibliografia

• 1. Grigore E., Ruset C., Li X., Dong H.: Comparison of magnetron deposited N-alloyed stainless steel coatings and low temperature plasma nitrided austenitic stainless steel. Plasma Process. Polym. 6 (2009) 321÷325.
• 2. Dahm K. L., Dearlney P. A.: On the nature, properties and wear response of S-phase (nitrogen-alloyed stainless steel) coatings on AISI 316L. Proc. Instn. Mech. Engrs 214 (2000) 181÷198.
• 3. Fryska S., Baranowska J.: Tribocorrosion resistance of nitrogen stabilized stainless steel coatings. Materials Engineering 5 (207) (2015) 281÷285.
• 4. Buhagiar J., Dong H.: Corrosion properties of S-phase layers formed on medical grade austenitic stainless steel. J. Mater. Sci.: Mater. Med. 23 (2012) 271÷281.
• 5. Aldrich-Smith G., Teer D. G., Dearnley P. A.: Corrosion-wear response of sputtered CrN and S-phase coated austenitic stainless steel. Surf. Coat. Tech. 116–119 (1999) 1161÷1165.
• 6. Brojanowska A., Skołek-Stefaniszyn E., Trojanowski J., Rudnicki J., Wierzchoń T.: Wpływ warunków procesu niskotemperaturowego azotowania jarzeniowego na właściwości stali austenitycznej 316L. Inżynieria Materiałowa 4 (31) (2010) 893÷897.
• 7. Sobiecki J. R., Kazior J., Wierzchoń T.: Niskotemperaturowe azotowanie jarzeniowe spiekanej stali austenitycznej. Inżynieria Materiałowa 5 (26) (2005) 434÷436.
• 8. Kappaganthu S.R., Sun Y.: Influence of sputter deposition conditions on phase evolution in nitrogen-doped stainless steel films. Surf. Coat. Tech. 198 (2005) 59÷63.
• 9. von Stebut J., Darbeida A., Saker A., Billard A., Rezakhanlou R.: Optimization of the contact mechanical strength of magnetron-sputtered nitrogen-doped AISI 316L physically vapour deposited coatings. Surf. Coat. Tech. 57 (1993) 31÷42.
• 10. Baranowska J. Fryska S., Suszko T.: The influence of temperature and nitrogen pressure on S-phase coatings deposition by reactive magnetron sputtering. Vacuum 90 (2013) 160÷164.
• 11. Darbeida A., Saker A., Billard A., von Stebut J.: Optimization of the surface mechanical strength of AISI 316L physically vapour deposited nitrogen-doped coatings on AISI 316L substrate. Surf. Coat. Tech. 60 (1993) 434÷440.
• 12. Baranowska J. Fryska S.: Characterization of mechanical properties of S-phase coatings produced by magnetron sputtering deposition. Chem. Listy 105 (2011) 769÷772.
• 13. Dahm K. L., Dearnley P. A.: S-phase coatings produced by unbalanced magnetron sputtering. Surf. Eng. 12 (1996) 61÷67.
• 14. Terwagne G., Colaux J., Collins G. A., Bodart F.: Structural and quantitative analysis of nitrided stainless steel coatings deposited by DC-magnetron sputtering. Thin Solid Films 377–378 (2000) 441÷446.
• 15. Terwagne G., Colaux J., Mitchell D. R., Short K. T.: Temperature effect of nitrided stainless steel coatings deposited by reactive DC-magnetron sputtering. Thin Solid Films 469–470 (2004) 167÷172.
• 16. Bourjot A., Foos M., Frantz C.: Basic properties of sputtered 310 stainless steel-nitrogen coatings. Surf. Coat. Tech. 43/44 (1990) 533÷542.
• 17. Bielawski J., Baranowska J., Szczeciński K.: Microstructure and properties of layers on chromium steel. Surf. Coat. Tech. 200 (2006) 6572÷6577.
• 18. Fryska S., Baranowska J.: The pressure influence on the properties of S-phase coatings deposited by reactive magnetron sputtering. Acta Physica Polonica A 123 (2013) 854÷857.
• 19. Tromas C., Stinville J. C., Templier C., Villechaise P.: Hardness and elastic modulus gradients in plasma-nitrided 316L polycrystalline stainless steel investigated by nanoindentation tomography. Acta Materialia 60 (2012) 1965÷1973.
• 20. Suszko T., Jahodowa V., Gulbiński W.: Plasma emission spectroscopy as a monitoring tool for deposition of S-phase layers by magnetron sputtering. Inżynieria Materiałowa Materials Engineering 5 (207) (2015) 273÷275.
• 21. Figueiredo C. G., Dahm K. L., Fisher J., Dearnley P. A.: The damage tolerance of S-phase coated biomedical grade stainless steel. Wear 263 (2007) 1081÷1086.
• 22. Schneider J. M., Rebholz C., Voevodin A. A., Leyland A., Matthews A.: Deposition and characterization of nitrogen containing stainless steel coatings prepared by reactive magnetron sputtering. Vacuum 47 (1996) 1077÷1080.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).