Optimization of Ti - Cr - N multilayer wear resistance coatings through microstructure control

• Autorzy: Major Ł. , Morgiel J. , Lackner J. M. , Kot M. , Szczerba M. , Major B.

Warianty tytułu

PL

Optymalizacja właściwości Ti-Cr-N wielowarstwowych odpornych na zużycie powłok w aspekcie mikrostruktury

• Konferencja: Advanced Materials and Technologies, AMT 2007 : XVIII Physical Metallurgy and Materials Science Conference (XVIII; 18-21.06.2007; Warszawa-Jachranka, Polska)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In the current work, multilayer coatings on Cr/CrN and TiN/CrN basis were deposited by the Pulsed Laser Deposition (PLD) technique at room temperature using an industrially designed 4-beam multi-spot PLD evaporator. Coatings were built of 2, 8, 32 and 64 layers with the total thickness of 1 urn . In the case of Cr/CrN, metallic layers are tough but soft and nitride layers are hard but brittle. Cr layer was deposited as the first to enhance adhesion coating to substrate, while CrN layer was deposited as a top film to increase wear resistance and hardness. In the case of TiN/CrN system, both types of layers are hard. TiN was deposited as the first layer to exhibit good adhesion to the substrate, while CrN was used as a top layer for better coating protection against oxidation. Microstructure was studied using transmission electron microscope Philips CM20 (200kV) as well as Jeol 4000EX (400kV). Examinations revealed that layers were built of columnar crystallites. It was stated in the case of Cr/CrN composition, that Cr grains were much bigger than CrN. In the case of TiN/CrN, TiN grains were finer than CrN. Mechanical properties were analyzed using microhardness by Vickers method, scratch- and wear- tests. Results showed that in examined types of coatings, 8- layered coating exhibited optimal mechanical features. Coatings built of higher number of layers presented decrease of properties when number of layers rose. Scratch test analysis indicated the unconformal type of buckling cracks for Cr/CrN composition and conformal ones for TiN/CrN. The range of critical load for this group of coatings was established on the level of 6 to 8N. Wear test was done using the ball-on-disc test. The lowest value of friction coefficient was obtained for the 8- layered Cr/CrN coating, while for TiN/CrN the lowest wear was obtained for the 32- layered coating.

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań systemów na bazie Cr CrN TiN/CrN uzyskanych z wykorzystaniem metody PLD (pulsed laser deposition). Osadzanie przeprowadzono w temperaturze pokojowej " zaprojektowanym do celów przemysłowych systemie pracującym z -k wiązkowym zogniskowanym odparowaniem. Wytworzono powłoki zawierające 2, 8, 32 i 64 warstwy przy całkowitej grubości lum. W przypadku układu Cr/CrN, warstwy metaliczne są wytrzymałe, lecz miękkie, natomiast warstwy ceramiczne są twarde, lecz kruche. Jako pierwsza nakładana była warstwa Cr aby zagwarantować jak najlepsze przyleganie powłoki do podłoża, podczas gdy warstwa CrN nakładana była jako ostatnia w celu zwiększenia odporności na zużycie i zwiększenie twardości. W przypadku grupy TiN CrN obydwa typy warstw należą do twardych. Jako pierwszą warstwę buforów. stosowano TiN ze względu na lepsze przyleganie do podłoża, natomiast jako warstwę zewnętrzną stosowano CrN w celu lepszego zabezpieczenia powłoki przed utlenianiem. Mikrostrukturę badano z wykorzystaniem transmisyjnej mikroskopii elektronowej na aparaturze Philips CM20 (200kV), jak również Jeol 4000EX (400kV). Badania wykazały, że warstwy zbudowane byty i ziaren o charakterze kolumnowym. Stwierdzono, że w przypadku grapy Cr/CrN ziarna Cr były znacznie większe niż CrN. W przypadku układu TiN/CrN, ziarna TiN były drobniejsze niż CrN. Właściwości mikromechaniczne analizowano poprzez badania mikrotwardości Vickers stosując test zarysowania oraz analizując zużycie poprzez test kula-tarca Stwierdzono, że powłoki 8-mio warstwowe wykazują optymalne właściwości mechaniczne, a dalszy wzrost ilości warstw składowych prowadził do obniżenia właściwości. Zakres obciążenia krytycznego dla każdej powłok był w zakresie 6 do 8 N. Test zużycia z wykorzystaniem systemu kulka na tarczy wykazał najniższe wartości zużycia dla 8-o warstwowej powłoki typu Cr/CrN, zaś dla powłok TiN/CrN najniższe wartości zużycia osiągnięto dla 32-u warstwowej powłoki.

Słowa kluczowe

PL

metody PLD; właściwości Ti-Cr-N; mikrotwardość Vickersa; test kulo-tarcza

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2007
• Tom: Vol. 28, nr 3-4
• Strony: 672--676
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys.

Twórcy

autor

Major Ł.

autor

Morgiel J.

autor

Lackner J. M.

autor

Kot M.

autor

Szczerba M.

autor

Major B.

• Institute of Metallurgy and materials Science, Polish Academy Sciences, Cracow, Poland

Bibliografia

• [1] Rickerby D.S., Matthews A., eds., Advanced Surface Coatings: a Handbook of Surface Engineering, Chapman and Hall, New York, 1991.
• [2] Chrisey D.B., Hubler G.K. (Eds.), Pulsed Laser Deposition, John Wiley, New York, 1994.
• [3] Miller J.C, Haglund R.F.Jr, Eds., Laser Ablation and Desorption, Academic Press, San Diego Vol.30,1998.
• [4] Major B, Ablacja i osadzanie laserem impulsowym, Wydawnictwo Naukowe Akapit, Kraków, 2002.
• [5] Greene J. E, “Physics of film growth from the vapor phase, in Multicomponent and Multilayered Thin Films for Advanced Microtechnologies: Techniques, Fundamentals and Devices“, edited by Auciello O., Engemann J., Kluwer Academic Publishers, NATO ASI Series E: Applied Sciences, 39(1993) 234-278.
• [6] Lackner J.M, Industrially-scaled hybrid Pulsed Laser deposition at Room Temperature, Distributed and Copyright by Joanneum Research Forschungsgesellschaft, Laser Center Leoben, Austria/ Institute of Metallurgy and Materials Science, Polish Academy of Sciences, Published by Orecop sc., Cracow ,2005.
• [7] Bull S.J, Rickerby D.S., Compositional, microstructural and morphological effects on the mechanical and tribological properties of chromium nitrogen films, Surf.Coat.Technol., 43/44(1990)732.
• [8] Su Y.L, Yao S.H., Leu Z.L., Wei C.S., Wu C.T., Comparison of tribological behaviour of three films – TiN, TiCN and CrN- grown by physical vapour deposition, Wear, 213(1997)165.
• [9] Barnett S.A., Madan A., Kim I., Martin K., Stability of nanometer- thick layers in hard coatings, E-MRS Bulletin, 28(2003)169-172