Optimizing deposition parameters of AlCrTiN coatings for improving the wear resistance at elevated temperatures

• Autorzy: Bujak J.

Warianty tytułu

PL

Optymalizacja parametrów osadzania powłok AlCrTiN dla poprawy ich odporności na ścieranie w podwyższonej temperaturze

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This article presents the investigation performed to develop process parameters to produce AlCrTiN coatings with improved mechanical properties and the best wear resistance using the cathodic arc evaporation technique. The chemical composition of targets, nitrogen pressure, arc current, and bias voltage with three levels of values were selected as important parameters of deposition that determine the mechanical and tribological properties of the AlCrTiN coatings. The Taguchi method was applied to study the impact of deposition process parameters on the coatings properties and for their optimization. Based on the statistical analyse, the most effective deposition parameters and optimum deposition conditions to obtain the best tribological behaviour were determined. The results showed, from among investigated parameters of deposition process, that the targeted chemical compositions, bias voltage, and nitrogen pressure have a significant effect on the mechanical properties and tribological behaviour of AlCrTiN coatings. It was also found that, to achieve both good mechanical properties and the best wear resistance of the AlCrTiN coatings, the deposition process by cathodic-arc technique should be carried out as follows: by using targets with composition Al70%Cr15%Ti15% and a negative bias voltage of 150 V, an arc current of 55 A, and a nitrogen pressure of 2.0 Pa.

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań nad opracowaniem optymalnych parametrów procesu wytwarzania powłok AlCrTiN metodą łukowo-próżniową, o podwyższonych właściwościach mechanicznych i wysokiej odporności na zużycie ścierne. Na podstawie analizy literaturowej wybrano cztery parametry procesu osadzania istotnie wpływające na właściwości mechaniczne i tribologiczne powłok, a mianowicie: skład chemiczny targetów, ciśnienie azotu, prąd łuku i napięcie polaryzacji podłoży z trzema poziomami wartości. Do badania oddziaływania parametrów procesu łukowopróżniowego na właściwości powłok oraz przeprowadzenia optymalizacji ich wartości dla uzyskania wzrostu odporności powłok na zużycie, wykorzystano metodę Taguchi’ego. Przy pomocy metod analizy statystycznej określono najbardziej efektywne parametry procesu i optymalne warunki wytwarzania powłok o najwyższej odporności na zużycie ścierne. Wyniki wskazały, że spośród badanych parametrów procesu osadzania istotny wpływ na właściwości mechaniczne i tribologiczne powłok AlCrTiN przede wszystkim wywierają: skład chemiczny targetów, napięcie polaryzacji oraz ciśnienia azotu. Stwierdzono również, że aby osiągnąć zarówno dobre właściwości mechaniczne, jak i najlepszą odporność na ścieranie powłoki AlCrTiN, proces jej osadzania, z zastosowaniem techniki katodowego niskociśnieniowego wyładowania łukowego, powinien być przeprowadzany w następujący sposób: przy wykorzystaniu targetów Al70% Cr15% Ti15% i zastosowaniu ujemnego napięcia polaryzacji 150 V, prądu łuku o natężeniu 55 oraz ciśnienia azotu 2,0 Pa.

Słowa kluczowe

EN

AlCrTiN coatings; cathodic arc deposition method; Taguchi method; coating; mechanical and tribological properties

PL

powłoki AlCrTiN; łukowo-próżniowa metoda osadzania; metoda Taguchi; właściwości mechaniczne i tribologiczne

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2015
• Tom: nr 6
• Strony: 19--32
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bujak J.

• Institute for Sustainable Technologies – National Research Institute, ul. Pułaskiego 6/10, 26-600 Radom, Poland

Bibliografia

• 1. Kovalev A.I., Wainstein D.Dl., Rashkovskiy A.Y., Fox-Rabinovich A.Y., Yamamoto K., Veldhuins S., Aguirre Beake B.D., Impact of Al and Cr alloying in TiN-based PVD coatings on cutting performance during of hard to cut materials, Vacuum 84 (2010) 184–187.
• 2. Short Catalog 2013 www.platit.com
• 3. Hasegawa H., Yamamoto T., Suzuki T., Yamamoto K., The effects of deposition temperature and post-annealing on the crystal structure and mechanical property of TiAlCrN films with high Al contents, Surf. Coat. Technol. 200 (2006) 2864–2869.
• 4. Yamamato K., Sato T., Takahara K., Hanaguri K., Properties of (Ti, Cr, Al) N coatings with high Al content deposited by new plasma enhanced arc-cathode, Surf. Coat. Technol. 174–175 (2003) 620–626.
• 5. Fox-Rabinovich G.S., Kowalew A.I., Aguire M.H., Beadke B.D., Yamamoto K., Veldhuis S.C., Endrido J.L., Wainstein D.L., Rashkovsky A.Y., Design and performance of TiAlN and TiAlCrN caoatings for machining of hard materials, Surf. Coat. Technol. 204 (2009) 489–496.
• 6. Donohue L.A., Smith I.J., Münz W.-D., Petrov I., Greene J.E., Microstructure and oxidation-resistance of Ti1-x-y-zAlxCryYzN layers grown by combined steered-arc/unbalanced-magnetron-sputter deposition, Surf. Coat. Technol. 94–95 (1995) 226–231.
• 7. Hsu C.H., Chen K.L., Su C.Y., Lin C.K., Bias effect on the tribological behavior of cathodic arc evaporated CrTiAlN coatings on AISI 304 stainless steel, Thin Solid Films 518 (2010) 3825–3829.
• 8. Fox-Rabinovich G.S., Yamamoto K., Veldhuis S.C., Kowalew A.I., Dosbaeva G.K., Tribological adaptability of TiAlCrN coatings under high performance dry machining conditions, 200 (2005) 1804–1813.
• 9. Harris S.G., Doyle E.D., Vlasveld A.C., Andy J., Long J.M., Quick D., Influence of chromium content on dry machining performance of cathodic arc evaporated TiAlN coatings, Wear 254 (2003) 185–194.
• 10. Bujak J., Walkowicz J., Kusiński J., Influence of the nitrogen pressure on the structure and properties of (Ti, Al) N coatings deposited by cathodic vacuum arc PVD process, Surf. Coat. Technol. 180–181 (2004) 150–157.
• 11. Taguchi G., Introduction to quality engineering Tokyo: Asian Productivity Organization (1990).
• 12. Ross P.J., Taguchi technique for quality engineering 2nd ed. New York: McGraw-Hill (1995).
• 13. PalDey S., Deevi S.D., Single layer and multi layer wear resistant coatings of (Ti,Al)N: a review, Materials Science and Engineering A342 (2003) 58–79.
• 14. Kale A.N., Ravindrnath K., Kohari D.C., Raole P.M., Tribological properties of (Ti,Al)N cotings deposited at different bias voltage using the cathodic arc technique, Surf. Coat. Technol. 145 (2001) 60–70.
• 15. Jehn H.A., Rother B., Preparation and concentration distribution of multicomponent hard coatings, Int. J. of Refractory Metals & Hard Materials, 14 (1996) 87–95.