Właściwości tribologiczne cienkich warstw węglika tytanu nanoszonych metodą reaktywnego rozpylania magnetronowego

• Autorzy: Gulbiński W. , Gilewicz A. , Suszko T. , Kukliński Z. , Warcholiński B.

Warianty tytułu

EN

Tribological Properties Thin Films of Titanium Carbide Deposited by Reactive Magnetron Sputtering

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Współczesne wymagania rynku, wymuszqją wzrost wydqjności procesów technologicznych, powodując wzrost zainteresowania cienkowarstwowymi powŁokami przeciw-zużyciowymi. Warstwy węglikowe typu TiCx, ze względu na swoje doskonałe wŁaściwości mechaniczne takie,jak wysoka twardość i odporność na zużycie przez tarcie, pozwalqją na wydłużenie czasu pracy narzędzi skrawqjących. Węglik tytanu jest równocześniejednq z Jaz granicznych układu Ti-Si-C, z którego pochodzą fazy trójskfadnikowe, np. Ti3SiC2 posiadające strukturę warstwową oraz unikatowe wŁaściwości mechaniczne, elektryczne i chemiczne. TiC jest równocześnie optymalnym materiałem podfożowym dla tych faz. Cienkie warstwy węglika tytanu oraz nanokompozytów typu TiC - aC:H nanoszone byty na monokrystalicznych podłożach krzemowych (100) oraz wykonanych ze stali 4H13, metodą impulsowego, reaktywnego rozpylania magnetronowego targetu tytanowego w atmosferze Ar-C2H2. W pracy przedstawiono wyniki badań ich składu chemicznego ifazowego, struktury, przewodnictwa elektrycznego, twardości, stanu naprężeń wŁasnych oraz suchego tarcia w ukfadzie kula-płaszczyzna. Przy przejściu od warstw TiCx do nanokompozytów TiCx - aC:H zaobserwowano istotne obniżenie wartości wspófczynnika tarcia suchego do ok. 0,06 w temperaturze 130 oc. Twardość warstw osiąga maksimum (18 GPa) przy składzie bliskim stechiometrycznej zawartości węgla w Tic.

EN

Actually, requirements of the increased production induce a growing interest on thin film wear resistant coatings on tools and machine parts. TiCx based coatings, known from their high hardness and wear resistance, are used to extend the lifetime of cutting tools. Simultaneously, titanium carbide is one of the boundary phases of Ti-Si-C system, which attracts an increasing interest, mainly due to ternary, lamellar type Ti3SiC2 phase, having unique mechanical, electrical and chemical properties. TiC is recognized as an optimal substrate material for future Ti3SiC2 thin film coatings. Thin films of TiC and TiC - aC:H nanocomposites were deposited on (100) silicon wafers and 4H13 steel substrates by reactive magnetron sputtering of Ti target in Ar-C2H2 atmosphere. The paper presents results of chemical and phase composition studies and as well as electrical conductivity, hardness, internal stress and dry friction coefficient measurements. Transition from TiC containing films to TiCx - aC:H type nanocomposites is accompanied by the significant decrease of friction coefficient to the level of about 0,06 at 130 degrees C. Hardness of studied films reaches maximum value (18 GPa) for carbon concentration closed to TiC stoichiometry.

Słowa kluczowe

PL

powłoki cienkowarstwowe; warstwy kompozytowe; warstwy węglika tytanu

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Mechaniki Precyzyjnej
• Czasopismo: Inżynieria Powierzchni
• Rocznik: 2004
• Tom: Nr 4
• Strony: 51--56
• Opis fizyczny: rys., tab., bibliogr. 24 poz.

Twórcy

autor

Gulbiński W.

• Katedra Fizyki, Politechnika Koszalińska

autor

Gilewicz A.

• Katedra Fizyki, Politechnika Koszalińska

autor

Suszko T.

• Katedra Fizyki, Politechnika Koszalińska

autor

Kukliński Z.

• Środowiskowe Laboratorium Technologii Próżniowych, Politechnika Koszalińska

autor

Warcholiński B.

• Katedra Fizyki, Politechnika Koszalińska

• Katedra Fizyki, Politechnika Koszalińska

Bibliografia

• [1] Djellouli B., Aourag H.: Theoretical studies of stoichiometric TiC, Phys. Stat Sol. (b) 225 2 (2001) s. 265-270.
• [2] Hugosson H. W., Korzhavyi P., Jansson U., Johansson B., Eriksson O.: Phase stabilities and structural relaxations in substoichiometric TiCi_x, Phys. Rev. B 63(2001)165116.
• [3] Voevodin A. A., Prasad S. V., Zabinski J. S.: Nanocrystalline carbide/amorphous carbon composite, J. Appl. Phys. 82 (2) (1997), s. 855-858.
• [4] Zehnder T., Patscheider J.: Nanocomposite TiC/aC:H hard coatings deposited by reactive PVD, Surf. Coat. Technol. 133-134 (2000), s. 138-144.
• [5] Hauert R., Patscheider J.: From alloying to nanocomposites - improved performance of hard coatings, Advanced Engineering materials 2 5 (2000), s. 247-259.
• [6] Stuber M., Leiste H., Ulrich S., Holleck H., Schild D.: Microstructure and properties of low friction TiC-C nanocomposite coatings deposited by magnetron sputtering, Surf. Coat. Technol. 150 (2002), s. 218-226.
• [7] Barsoum M. W., El-Raghy T.: Synthesis and characterization of remarkable ceramic Ti3SiC2, J. Amer. Cer. Soc., 79 [7] (1996), s. 1953-1956.
• [8] El-Raghy T., Blau P., Barsoum M. W.: Effect of grain size on friction and wear behavior of Ti3SiC2, Wear238 (2000), s. 125-130.
• [9] Palmquist J. P., Jansson U., Seppanen T., Persson P. O. A., Birch J., Hultman L., Isberg P.: Magnetron sputtered epitaxial single-phase TJ3SiC2 thin films, Appl. Phys. Lett. 81 5 (2002), s. 835-837.
• [10] Larsson T., Blom H-O., Nender C., Berg S.: A physical model for eliminating instabilities in reactive sputtering, J. Vac. Sci. Technol. A6 (1988), s. 1832-1836.
• [11] Spencer A.G., Howson R.P., Lewin R.W.: Pressure stability in reactive magnetron sputtering, thin solid films 158(1988), s. 141-149.
• [12] Window B., Sawides N.: Unbalanced DC magnetrons as a sources of high ion fluxes, J.Vac.Sci. Technol. A4 (1986), s. 453-456.
• [13] Cullity B. D.: Elements of X - ray diffraction, 2nd ed., Addison-Wiley London 1978.
• [14] Jonsson B., Hogmark S.: Hardness measurement of thin films, Thin Solid Films 114 (1984) s. 257-269.
• [15] Stoney G. G.: The tension of metallic films deposited by electrolysis, Proc. Roy. Soc. London A 82 (1909), s. 172-175.
• [16] Kowtoniuk N.F., Koncewoj J.A.: Pomiary parametrów materiałów półprzewodnikowych, PWN, Warszawa (1973).
• [17] Karta ASTM nr 32-1383.
• [18] Hultman L., Muenz W.D., Musil J., Kadlec S., Petrov L, Greene J.E.: Low-energy (~100eV) ion irradiation during growth of TiN deposited by reactive magnetron sputtering: Effects of ion flux on film mictostructure, J. Vac. Sci. Technol. A 9 (1991), s. 434-438.
• [19] Quaeyhaegens C., Knuyt, G., D'Haen J., Stals L.M.: Experimental study of the growth evolution from random towards a (111) preferential orientation of PVD TiN coatings, Thin Solid Films 258 (1995), s. 170-173.
• [20] Pelleg J., Zevin L.Z., Lungo S.: Reactive-sputter-deposited TiN films on glass substrates, Thin Solid Films 197(1991), s. 117-128.
• [21] Li G., Xia L.F.: Structural Characterisation of TiCx films prepared by plasma based ion implantation, Thin Solid Films 396 (2001) 16.
• [22] Karta ASTM nr 5-682.
• [23] Huang Q. F., Yoon S. F., Rusli, Yang H., Ann J., Zhang Q.: Molybdenum-containing carbon film deposited using the screen grid technique in an electron cyclotron resonance chemical vapor deposition system, Diamond and Related Materials 9 (2000), s. 534-538.
• [24] Huang, Q. F., Yoon, S.F., Rusli, Yang H., Gan B. Chew K., Ahn J.: Conduction mechanism in molybdenum containing diamond-like carbon deposited using electro cyclotron resonance chemical vapor deposition, J. Appl. Phys. 88 (2000), s. 4191-4195.