Supertwarde, nanostrukturalne powłoki TiN/a-Si3N4 na stali Vanadis 23 osadzone nową metodą rozpylania magnetronowego

• Autorzy: Wendler B. , Progalski I. , Moskalewicz T. , Pawlak W. , Rylski A. , Makówka M. , Włodarczyk-Kowalska K. , Nolbrzak P.

Warianty tytułu

EN

Superhard, nanostructured TiN/a-Si3N4 coatings on Vanadis 23 HS steel deposited with use of a new gas pulsed magnetron sputtering technique

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule zamieszczono wyniki badań nanostrukturalnej powłoki TiN/a-Si3N4 osadzonej na stali Vanadis 23 metodą reakcyjnego rozpylania magnetronowego opracowaną w 2010 r. w Instytucie Inżynierii Materiałowej Politechniki Łódzkiej. Nowa metoda polega na nieciągłym (impulsowym, o czasie otwarcia mikrozaworu ~1 ms) wprowadzaniu do komory próżniowej niewielkiej masy (około kilkudziesięciu miligramów) sprężonego gazu, co powoduje gwałtowny wzrost ciśnienia gazu i zapłonu gęstej plazmy wyładowania magnetronowego i rozpylania targetu aż do zaniku wyładowania, gdy ciśnienie w komorze ulegnie obniżeniu poniżej progu gaśnięcia plazmy, po czym następuje kolejne otwarcie mikrozaworu i proces zapłonu plazmy i jej gaśnięcia powtarza się z częstotliwością ~1 HZ. Wytworzona powłoka składa się Z nanokrystalitów fazy TiN (osbornitu, o strukturze regulamej B1) i a-Si3N4 o symetrii trójskośnej i charakteryzuje się dużą twardością (47 GPa), dużym modułem Younga (560 GPa), bardzo silną teksturą osiową <111>, dużą zwartością powłoki, dużą adhezją do stalowego podłoża (LC = 118 N) oraz dużą gładkością powierzchni (Ra = 0,28 um). Ze względu na korzystne charakterystyki wytworzonej powłoki oraz prostotę nowej metody, niskie koszty inwestycyjne oraz korzystne cechy impulsowej plazmy wyładowania magnetronowego, autorzy artykułu są przeświadczeni o szerokich możliwościach aplikacyjnych tej nowej metody, chronionej szeregiem zastrzeżeń zgłoszonych do Urzędu Patentowego Rzeczypospolitej Polskiej.

EN

Results of charaterization of a superhard, nanostructured TiN/a-Si3N4 coating deposited on Vanadis 23 HS steel with use of a new reactive magnetron sputtering technique elaborated in the Institute of Materials Science and Engineering of the Lodz University of Technology in 2010 are presented in the paper. The new technique consists in an inetermittent delivery of a small amount of a compressed gas into a vacuum chamber with magnetrons connected permanently to current sources. As a result an instantaneous magnetron sputtering discharge is being excited in the chamber of a high intensity of electromagnetic emission, which decreases incessantly until the plasma extinguishes due to permanent working pumping stand. The process repeats when the next gas impulse will be delivered to the vacuum chamber. The frequency of the magnetron discharges is of the order of magnitude of 1 HZ. The coatings deposited on the HS substrate is composed of TiN (osbornite) nanocrystallites of B1 cubic symmetry and of the a-Si3N4 ones of a triclinic symmetry and is characteristic of a superhardness (47 GPa), high Young's modulus (560 GPa), a strong axial texture <111>, high compacity, high adhesion to the HS steel substrate (LC = 118 N) and a low surface roughness (Ra = 0,28 um). In view ofthe useful properties of the deposited coating, simplicity of the deposition technique, low Investment costs and advantageous features of the pulse magnetron discharge plasma, the authors ofthe paper are persuaded of a broad range of possible applications of this new deposition method submitted for protection of numerous claims to the Polish Patent Office in 2010 and 2012.

Słowa kluczowe

PL

TiN; α-Si3N4; powłoka nanostrukturalna; powłoka supertwarda; moduł Younga; rozpylanie magnetronowe; rozpylanie impulsowe; plazma impulsowa; gęstość plazmy; emisja promieniowania elektromagnetycznego

EN

TiN; α-Si3N4; nanostructured coating; superhard coating; high Young's; modulus; magnetron sputtering; gas pulsed spuittering; impulse plasma; high density plazma; emission intensity of the electromagnetic radiation

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 5
• Strony: 563--567
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys.

Twórcy

autor

Wendler B.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

autor

Progalski I.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

autor

Moskalewicz T.

• AGH Akademia Gómiczo-Hutnicza w Krakowie, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki

autor

Pawlak W.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

autor

Rylski A.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

autor

Makówka M.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

autor

Włodarczyk-Kowalska K.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

autor

Nolbrzak P.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

Bibliografia

• [1] Li S., Shi L., Peng H.: Ti-Si-N films prepared by plasma enhanced chemical vapour deposition. Plasma Chemistry and Plasma Processing 12 (1992) 287÷297.
• [2] Vepřek S., Reiprich S.: A concept for the design of novel superhard coatings. Thin Solid Films 268 (1995) 64÷71.
• [3] Mayrhoffer H., Mitterer C., Hultman L., Clemens H.: Microstructural design of hard coatings. Progress in Material Science 51 (8) (2006) 1032÷1114.
• [4] Vepřek S., Niederhofer A., Moto K., Nesladek P., Maennling H., Bolom T.: Nanocomposites nc-TiN/a-Si3N4/a- & nc-TiSi2 with hardness exceeding 100 GPa and high fracture toughness. Materials Research Society Symposium, Proceedings 581 (2000) 321÷326
• [5] Lee E. A., Kim K. H.: Deposition and mechanical properties of Ti-Si-N coated layer on WC-Co by RF inductively coupled plasma-enhanced chemical vapour deposition. Thin Solid Films 420-421 (2002) 371÷376.
• [6] Kauffmann F., Ji B., Dehm G., Gao H., Arzt E.: A quantitative study of the hardness of a superhard nanocrystalline titanium nitride/silicon nitride coating. Scripta Materialia 52 (2005) 1269÷1274.
• [7] Yang Z. T., Yang B., Guo L. P., Fu D. J.: Effect of bias voltage on the structure and hardness of TiSiN composite coatings synthesized by cathodic arc assisted middle-frequency magnetron sputtering. Journal of Alloys and Compounds 473 (1-2) (2009) 437÷441.
• [8] Zhang Y., Yang Y., Yingze Z., Zhai Y., Zhang P.: Effect of negative sub- strate bias on the microstructure and mechanical properties of Ti-Si-N films deposited by a hybrid filtered cathodic arc and ion beam sputtering technique. Applied Surface Science 258 (18) (2012) 6897÷6901.
• [9] Wendler B., Moskalewicz T., Progalskiy I. F., Pawlak W., Makówka M., Włodarczyk K., Nolbrzak P., Czyrska-Filemonowicz A., Rylski A.: Hard and superhard nanolaminate and nanocomposite coatings for machine elements based on Ti6Al4V alloy. J. Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 43 (1) (2010) 455÷462.
• [10] Wendler B., Progalskiy I., Dora J., Siemers C., Pawlak W., Rylski A., Makówka M., Nolbrzak P., Włodarczyk K.: Generation of high density impulse plasma for cleaning substrates and coatings deposition. Wniosek o ochronę patentową nr P-391523 złożony w UP RP 15.06.2010.
• [11] Wendler B., Progalskiy I. F.: New type HIPIMS reactive magnetron deposition of superhard nanocomposite nc-TiN/a(nc)-SixNy coatings. Referat plenarny podczas 1st International Conference “HIPIMS”2010” in Sheffield-Hallam University, Sheffield, UK, July 6-7 (2010).
• [12] Progalskiy I., Wendler B., Nolbrzak P.: Deposition and properties of magnetron sputtered nc-TiN/a-Si3N4 nanocomposite coatings on indexable inserts of cutting tools. In: Proceedings of the 2nd MAMINA Conference in the Proceedings of the 20th International Workshop on Computational Mechanics of Materials IWCMM 20 in Loughborough, UK, 07-10.09.2010, 77÷82.
• [13] Wendler B. et al.: Wniosek o ochronę patentową nr P-399605 złożony w UP RP 21.06.2012.
• [14] Wendler B. et al.: Wniosek o ochronę patentową nr P-399606 złożony w UP RP 21.06.2012.
• [15] Wendle B. et al.: Wniosek o ochronę patentową nr P-399607 złożony w UP RP 21.06.2012.
• [16] Wendler B. et al.: Wniosek o ochronę patentową nr P-400018 złożony w UP RP 18.07.2012.
• [17] Wendle B. G.: Functional coatings by CVD and PVD methods. Monograph. Printed by National Research Institute in Radom, Poland, Copyright by B. G. Wendler, Technical University Lodz, Lodz (2011). ISBN 978-83-7789-001-1.
• [18] Nowakowska-Langier K., Chodun R., Nietubyć R., Minikayev R., Zdunek K.: Dependence of the specific features of two PAPVD methods: Impulse Plasma Deposition (ĹPD) and Pulsed Magnetron Sputtering (PMS) on the structure of Fe-Cu alloy layers. Applied Surface Science 275 (2013) 14÷18.
• [19] Robertson J.: Deposition mechanism of cubic boron nitride. Diamond and Related Materials 5 (1996) 519÷524.
• [20]Wang D.-Y., Chang C.-L., Wong K.-W., Li Y.-W., Ho W.-Y.: Improvement of the interfacial integrity of (Ti, Al)N hard coatings deposited on high speed steel cutting tools. Surface and Coatings Technology 120-121 (1999) 388÷394.