Analysis of the tribological properties of TiN/Si3N4 nanocomposite coating in sliding contact with ceramic, steel, and polymer counterpart

• Autorzy: Zimowski S. , Moskalewicz T. , Wendler B.

Warianty tytułu

PL

Analiza właściwości tribologicznych nanokompozytowej powłoki TiN/Si3N4 w styku ślizgowym z przeciwelementem ceramicznym, stalowym i polimerowym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this work, the friction and wear of a hard TiN/Si₃N₄&enspnanocomposite coating in sliding contact with Al₂O₃&enspceramic, 100Cr6 steel, and PTFE polymer balls were analysed. The coating was deposited on Vanadis 23 high-speed steel by a new gas pulsed magnetron sputtering technique. Studies of micromechanical properties indicate very high hardness of the coating equal to 49 GPa with simultaneous very good adhesion to the substrate confirmed in the scratch test. Based on the tribological studies in an unlubricated ball-on-disk contact, the coefficient of friction and specific wear index of the coating and balls were determined. In the friction cooperation, the most advantageous pair of coating and counterpart was an association of TiN/Si₃N₄&enspcoating with a ceramic Al₂O₃&enspball. In this combination, the wear index of the coating was 5.3·0.04·10^-6 mm³/Nm, whereas the value of the wear index of the ball was 0.04·0.04·10^-6 mm³/Nm. According to our investigation, this is the best pair among the tested materials that can be used in friction nodes under a high load. The analysis of the wear mechanism for individual pairs was based on microscopic examination of wear tracks.

PL

W niniejszej pracy dokonano analizy tarcia i zużycia twardej powłoki nanokompozytowej TiN/Si₃N₄&ensppodczas współpracy z kulami ceramicznymi Al₂O₃, stalowymi 100Cr6 i polimerowymi PTFE. Powłoka została osadzona na próbkach z ulepszonej stali szybkotnącej Vanadis 23 metodą rozpylania magnetronowego sterowanego impulsami ciśnienia gazu. Badania właściwości mikromechanicznych wykazały bardzo dużą twardość powłoki wynoszącą 49 GPa i jednocześnie bardzo dobrą adhezję do podłoża potwierdzoną w próbie zarysowania. Na podstawie badań tribologicznych w niesmarowanym styku ślizgowym typu kula/tarcza wyznaczono współczynnik tarcia oraz wskaźnik zużycia objętościowego powłoki i kul. Najkorzystniejsze pod względem odporności na zużycie zarówno powłoki, jak i przeciwelementu było skojarzenie powłoki TiN/Si₃N₄&enspz kulą Al₂O₃. W tym skojarzeniu wskaźnik zużycia powłoki był równy 5,3·0.04·10^-6 mm³/Nm, a kuli 0,04·0.04·10^-6 mm³/Nm. Skojarzenie to jest najlepsze spośród badanych par i może znaleźć zastosowanie do wysoko obciążonych węzłów tarcia. Analizę mechanizmu zużycia dla poszczególnych skojarzeń wykonano w oparciu o badania mikroskopowe śladów zużycia.

Słowa kluczowe

EN

nanocomposite coatings; magnetron sputtering; friction; wear resistance; superhardness

PL

nanokompozytowe powłoki; rozpylanie magnetronowe; tarcie; odporność na zużycie; supertwardość

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2017
• Tom: nr 4
• Strony: 125--131
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., wz.

Twórcy

autor

Zimowski S.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Mechanical Engineering and Robotics, Al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Krakow, Poland

autor

Moskalewicz T.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Metals Engineering and Industrial Computer Science, ul. Czarnowiejska 66, 30-059 Krakow, Poland

autor

Wendler B.

• Lodz University of Technology, Institute of Materials Science and Engineering, ul. Stefanowskiego 1, 90-924 Lodz, Poland

Bibliografia

• 1. Haubner R., Lessiak M., Pitonak R., Köpf A., Weissenbacher R: Evolution of conventional hard coatings for its use on cutting tools. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 62, 2017, 210–218.
• 2. Uhlmann E., Fuentes J. O., Gerstenberger R., Frank H.: nc-AlTiN/a-Si3N4 and nc-AlCrN/a-Si3N4 nanocomposite coatings as protection layer for PCBN tools in hard machining. Surface and Coatings Technology, 237, 2013, 142–148.
• 3. He P.F., Ma G. Z., Wang H. D., Yong Q. S., Chen S. Y., Xu B. S.: Tribological behaviors of internal plasma sprayed TiO 2-based ceramic coating on engine cylinder under lubricated conditions. Tribology International, 102, 2016, 407–418.
• 4. Michalczewski R., Szczerek M., Tuszyński W., Wulczyński J., Antonov M.: The effect of low-friction PVD coatings on scuffing and pitting resistance of spur gears. Tribologia 5, 2013, 55–66.
• 5. Vepřek S., Argon A. S.: Towards the understanding of mechanical properties of super-and ultrahard nanocomposites. Journal of Vacuum Science and Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures Processing, Measurement, and Phenomena, 20 (2), 2002, 650–664.
• 6. Vepřek S., Nesladek P., Niederhofer A., Glatz F., Jilek M., Šıma M.: Recent progress in the superhardnanocrystalline composites: towards their industrialization and understanding of the origin of the superhardness. Surface and Coatings Technology 108, 1998, 138–147.
• 7. Zhang S., Sun D., Fu Y., Du H.: Toughening of hard nanostructural thin films: a critical review.Surface and Coatings Technology, 198 (1), 2005, 2–8.
• 8. Vepřek S., Niederhofer A., Moto K., Bolom T., Männling H. D., Nesladek P., Bergmaier A.: Composition, nanostructure and origin of the ultrahardness in nc-TiN/Si3N4/a-and nc-TiSi2 nanocomposites with HV = 80 to ≥ 105 GPa. Surface and Coatings Technology, 133, 2000, 152–159.
• 9. Morgiel J., Grzonka J., Mania R., Zimowski S., Labar J. L., Fogarassy Z.: Relation between microstructure and hardness of nano-composite CrN/Si3N4 coatings obtained using CrSi single target magnetron system. Vacuum, 90, 2013, 170–175.
• 10. Wendler B., Progalski I., Moskalewicz T., Pawlak W., Rylski A., Makówka M., Włodarczyk-Kowalska K., Nolbrzak P.: Supertwarde, nanostrukturalne powłoki TiN/a-Si3N4 na stali Vanadis 23 osadzone nową metodą rozpylania magnetronowego. Inżynieria Materiałowa, 34(5), 2013, 563–567.
• 11. Wendler B., Dora J., Progalski I., Rylski A., Pawlak W., Nolbrzak P., Makówka M., Włodarczyk K., Siemers C.: Patent RP, PL-218924, udzielony przez UP RP 23 czerwca 2014.
• 12. Rylski A., Wendler B., Progalski I., Pawlak W., Nolbrzak P., Makówka M., Włodarczyk K.: Patent RP, PL-223207, udzielony przez UP RP 21 grudnia 2015.
• 13. Wendler B., Dora J., Progalski I. F., Rylski A., Pawlak W., Nolbrzak P., Makówka M., Włodarczyk K., Siemers C.: Patent RP, P-225956, udzielony przez UP RP 6 czerwca 2017.
• 14. Sak A., Moskalewicz T., Zimowski S., Cieniek Ł., Dubiel B., Radziszewska A., Kot M., Łukaszczyk A.: Influence of polyetheretherketone coatings on the Ti-13Nb-13Zr titanium alloy›s bio-tribological properties and corrosion resistance. Materials Science and Engineering: C, 63, 2016, 52–61.
• 15. Lackner J. M., Waldhauser W., Major L., Morgiel J., Kot M., Major B.: Nanocrystalline Cr/CrN and Ti/TiN multilayer coatings produced by pulsed laser deposition at room temperature. Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences, 54(2), 2006, 175–180.
• 16. Zimowski S., Rakowski W., Kot M.: Mechanical and tribological properties of selected coatings formed by duplex treatment. (in Polish) Tribologia, 3, 2007, 421–432.
• 17. Kot M., Lacki P.: Contact mechanics of coating-substrate systems: I – Methods of analysis and FEM modeling of nanoindentation tests. Journal of the Balkan Tribological Association, 18, 2012, 598–614.
• 18. Holmberg K., Matthews A., Ronkainen H.: Coatings tribology – contact mechanisms and surface design. Tribology International, 31(1), 1998, 107–120.
• 19. Piekoszewski W., Szczerek M.: Mechanisms of PVD coated elements surface layer destruction caused by pitting. (in Polish) Tribologia, 4, 2011, 229–243.
• 20. Sun Y., Bloyce A., Bell T.: Finite element analysis of plastic deformation of various TiN coating/substrate systems under normal contact with a rigid sphere. Thin Solid Films, 271 (1), 1995, 122–131.
• 21. Morgiel J., Zimowski S., Mania R., Grzonka J. Kot M.: Microstructure and mechanical properties of nano-composite TiN/Si3N4 coatings deposited on stainless steel and high-speed steel. Inżynieria Materiałowa, 28 (3-4), 2007, 692–697.
• 22. Zimowski S.: Twarde powłoki kompozytowe w zastosowaniach tribologicznych. Rozdział w monografii „Tribologia i inżynieria powierzchni – wybrane zagadnienia” red. S. Flaga i in. Monografie Katedry Automatyzacji Procesów AGH w Krakowie. Kraków 2014, s. 8–21.
• 23. Moskalewicz T., Zimowski S., Wendler B., Progalski I., Czyrska-Filemonowicz A.: Microstructure and properties of thick nanocomposite TiN/Si3N4 coatings on Vanadis 23 HS steel. International Journal of Materials Research, 106 (7), 2015, 732–740.
• 24. Ma S., Prochazka J., Karvankova P., Ma Q., Niu X., Wang X., Vepřek S.: Comparative study of the tribologicalbehaviour of superhard nanocomposite coatings nc-TiN/a-Si3N4 with TiN. Surface and Coatings Technology, 194 (1), 2005, 143–148.
• 25. Kong D., Zhao B.: Effects of loads on friction-wear properties of HVOF sprayed NiCrBSi alloy coatings by laser remelting. Journal of Alloys and Compounds, 705, 2017, 700–707.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).