Analiza właściwości tribologicznych powłok a-C:H:SiOx wytwarzanych metodą RF PACVD

• Autorzy: Batory D. , Kaczorowski W. , Kołodziejczyk Ł. , Makówka M. , Jędrzejczak A.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2015.6.25

Warianty tytułu

EN

Analysis of tribological properties of a-C:H:SiOx coatings synthesized by RF PACVD method

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Domieszkowane SiOx powłoki węglowe zostały wytworzone metodą RF PACVD (Radio Frequency Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition) z wykorzystaniem mieszaniny metanu (CH4 ) oraz heksametylodisiloksanu (HMDSO). Procesy syntezy prowadzono przy różnych proporcjach przepływu CH4/ HMDSO oraz w szerokim zakresie ujemnego potencjału autopolaryzacji elektrody rf. Jako substraty zastosowano utleniany stop tytanu Ti6Al7Nb. Badania współczynnika tarcia oraz odporności na zużycie przez tarcie przeprowadzono metodą kula–tarcza za pomocą tribotestera T-11 oraz przeciwpróbki wykonanej ze stali 100Cr6. Analizę śladów wytarcia prowadzono za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego oraz spektroskopii Ramana. Odporność na zużycie przez tarcie określano na podstawie zarejestrowanych profili wytarcia powłok oraz przeciwpróbek. Wyniki przeprowadzonych badań potwierdzają zróżnicowany wpływ parametrów procesów syntezy na właściwości tribologiczne otrzymanych powłok. Zarejestrowano wyraźnie pozytywny wpływ domieszki SiOx na zmniejszenie współczynnika tarcia badanych powłok obserwowany już w zakresie poniżej 0,5% at. Si. Niemniej jednak dla niższych potencjałów autopolaryzacji powłoki o dużej zawartości krzemu i tlenu uległy zniszczeniu po kilku metrach drogi tarcia. Głównym mechanizmem zużycia powłok a-C:H:SiOx jest efekt trzeciego ciała. Wydaje się, że domieszkowanie powłok węglowych SiOx ogranicza zjawiska grafityzacji prowadzące do powstania warstwy przejściowej spełniającej rolę smaru stałego. Pomimo wyraźnie mniejszych oraz stabilnych wartości współczynników tarcia powłok a-C:H:SiOx przy większych zawartościach krzemu i tlenu nie zapewniają one wystarczającej ochrony przed zużyciem współpracujących elementów.

EN

SiOx incorporated carbon coatings were synthesized using RF PACVD (Radio Frequency Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition) method with use of mixture of methane (CH4) and hexamethylodisiloxane (HMDSO). The processes of synthesis were conducted using different CH4/HMDSO flow ratios and wide range of the self-bias potential of the r.f. electrode. As the substrate oxidized Ti6Al7Nb titanium alloy was used. Friction coefficient and wear resistance analysis was performed using the T-11 tribometer in the ball–on–disc configuration and counterpart made of 100Cr6 steel. Wear track analysis was made using scanning electron microscopy and Raman spectroscopy. The resistance against wear was determined basing on the registered wear profiles and scars on the surface of the coatings and the balls respectively. The results of the conducted examinations prove the varied impact of the process parameters on the tribological properties of the obtained coatings. A noticeably positive influence of SiOx incorporation on the decreasing value of the coefficient of friction was registered for as low concentration of silicon as 0.5 at. %. Nevertheless for low self-bias potentials coatings with high concentration of silicon and oxygen were damaged just after few meters of the sliding distance. The main wear mechanism of a-C:H:SiOx coatings is the third body effect. It seems that incorporation of SiOx into carbon coatings limits the graphitisation phenomena, which lead to formation of the transition layer acting as the solid lubricant. Despite significantly lower and stable coefficients of friction of a-C:H:SiOx coatings with higher concentrations of silicon and oxygen they do not provide sufficient protection against wear of the co-working elements.

Słowa kluczowe

PL

DLC; domieszkowanie SiOx; tarcie; zużycie

EN

DLC; SiOx incorporation; friction; wear

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 36, nr 6
• Strony: 473--478
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Batory D.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

autor

Kaczorowski W.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

autor

Kołodziejczyk Ł.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

autor

Makówka M.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

autor

Jędrzejczak A.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

Bibliografia

• [1] Michalski A.: Fizykochemiczne podstawy otrzymywania powłok z fazy gazowej. WPW, Warszawa (2000).
• [2] Walkowicz J.: Fizykochemiczna struktura plazmy a skład chemiczny i fazowy warstw wytwarzanych technikami plazmowej inżynierii powierzchni. Wydawnictwo i Zakład Poligrafii Instytutu Technologii Eksploatacji, Radom (2003).
• [3] Mitura S., Niedzielski P., Walkowiak B., eds.: NANODIAM, New Technologies for medical applications: Studying and production of carbon surfaces allowing for controllable bioactivity. PWN, Warsaw (2006).
• [4] Wendler B.: Functional coatings by PVD or CVD methods. ITeE–PIB, Łódź (2011).
• [5] Robertson J.: Diamond-like amorphous carbon. Mat. Sci. Eng. R 37 (2002) 129÷281.
• [6] Bewilogua K., Hofmann D.: History of diamond-like carbon films — from first experiments to worldwide applications. Surf. Coat. Tech. 242 (2014) 214÷225.
• [7] Thorwarth G., Falub C. V., Müller U., Weisse B., Voisard C., Tobler M., Hauert R.: Tribological behaviour of DLC-coated articulating joint implants. Acta Biomaterialia 6 (2010) 2335÷2341.
• [8] Kluba A., Bociaga D., Dudek M.: Hydrogenated amorphous carbon films deposited on 316L stainless steel. Diam. Relat. Mater. 19 (2010) 533÷536.
• [9] Batory D., Wilczek R., Szymański W., Cłapa M.: Analiza strukturalna i fazowa nanokompozytowych warstw a-C:H/Ti wytworzonych hybrydową metodą RF PACVD/MS. Inżynieria Materiałowa 4 (2010) 856÷859.
• [10] Batory D., Szymański W., Cłapa M.: Mechanical and tribological properties of gradient a-C:H/Ti coatings. Mater. Sci. Poland 31 (2013) 415÷423.
• [11] Kaczmarek L., Adamczyk-Cieslak B., Mizera J., Steglinski M., Kyziol K., Miedzinska D., Kolodziejczyk L, Szymanski W., Kozanecki M.: Influence of chemical composition of Ti/TiC/a-C:H coatings deposited on 7075 aluminum alloy on their selected mechanical properties. Surf. Coat. Tech. 261 (2015) 304÷310.
• [12] Batory D., Gorzedowski J., Rajchel B., Szymanski W., Kolodziejczyk L.: Silver implanted diamond-like carbon coatings. Vacuum 110 (2014) 78÷86.
• [13] Donnet C.: Recent progress on the tribology of doped diamond-like and carbon alloy coatings: a review. Surf. Coat. Tech. 100-101 (1998) 180÷186.
• [14] Damasceno J. C., Camargo Jr S. S., Freire Jr F. L., Carius R.: Deposition of Si-DLC films with high hardness, low stress and high deposition rates. Surf. Coat. Tech. 133-134 (2000) 247÷252.
• [15] Choi J., Nakao S., Kim J., Ikeyama M., Kato T.: Corrosion protection of DLC coatings on magnesium alloy. Diam. Relat. Mater. 16 (2007) 1361÷1364.
• [16] Januszewicz B., Wendler B., Liśkiewicz T., Kaczmarek Ł.: Structure and hardness of Ti6Al4V alloy after hardening treatment by oxidation. Inżynieria Materiałowa 5 (2005) 654÷656.
• [17] Jędrzejczak A., Batory D., Cłapa M., Makówka M., Niedzielski P.: Powłoki węglowe domieszkowane krzemem wytwarzane metodą RF PACVD. Inżynieria Materiałowa 5 (2013) 459÷462.
• [18] Batory D., Jedrzejczak A., Kaczorowski W., Szymanski W., Kolodziejczyk L., Clapa M., Niedzielski P.: Influence of the process parameters on the characteristics of silicon incorporated a-C:H:SiOx coatings. Surf. Coat. Tech. 271 (2015) 112÷118.
• [19] Leyland A., Matthews A.: On the significance of the H/E ratio in wear control: a nanocomposite coating approach to optimised tribological behaviour. Wear 246 1-2 (2000) 1÷11.
• [20] Kumar N., Barve S. A., Chopade S. S., Kar R., Chand N., Dash S., Tyagi A. K., Patil D. S.: Scratch resistance and tribological properties of SiOx incorporated diamond-like carbon films deposited by r.f. plasma assisted chemical vapour deposition. Tribol. Int. 84 (2015)124÷131.
• [21] Casiraghi C., Piazza F., Ferrari A. C., Grambole D., Robertson J.: Bonding in hydrogenated diamond-like carbon by Raman spectroscopy. Diam. Relat. Mater. 14 (2005) 1098÷102.
• [22] Ferrari A. C., Robertson J.: Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon. Phys. Rev. B 61 (2000) 14095÷14107.
• [23] Hauert R., Muller U.: An overview on tailored tribological and biological behaviour of diamond like carbon. Diam. Relat. Mater. 12 (2003) 171÷177.
• [24] Yang W. J., Cho Y. H., Sekino T., Shim K. B., Niihara K., Auh K. H.: Tribological evaluation of Si–O containing diamond-like carbon films. Surf. Coat. Tech. 162 (2003) 183÷188.
• [25] Voevodin A. A., Phelps A. W., Zabinski J. S., Donley M. S.: Friction induced phase transformation of pulsed laser deposited diamond-like carbon. Diam. Relat. Mater. 5 (1996) 1264÷1269.