Właściwości powłok DLC z podwarstwami na bazie chromu zastosowanych na narzędziach ze stali szybkotnącej do obróbki drewna

• Autorzy: Pancielejko M. , Czyżniewski A. , Gilewicz A. , Zavaleyev V.

Warianty tytułu

EN

Properties of DLC coatings with chromium-based sublayers used for woodworking high-speed steel tools

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przedstawiono wyniki badań właściwości powłok z zewnętrzną warstwą DLC (Diamond-Like Carbon) oraz trzema typami podwarstwy na bazie chromu: Cr/DLC, Cr/CrN/Cr/DLC oraz Cr/(CrN/CrCN)/Cr/DLC. Przedstawiono również wyniki badań trwałości i mechanizmów zużycia ostrzy noży strugarskich ze stali szybkotnącej pokrytych tymi powłokami. Podwarstwy na bazie chromu wytwarzano metodą katodowego odparowania łukowego (CVA), a warstwę DLC metodą zmodyfikowanego katodowego odparowania łukowego (MCVA). Powłoki DLC charakteryzują się dużą twardością (ok. 34 GPa) oraz dobrą adhezją. W próbie zarysowania powłoki Cr/DLC wykazują największą adhezję (siła krytyczna LC1 = 39 N, LC2 = 45 N), natomiast powłoki Cr/(CrN/CrCN)/Cr/DLC wykazują najmniejszą adhezję (LC1 = 27 N, LC2 = 39 N). Z próby Rockwella C wynika, że wszystkie powłoki wykazują dobrą adhezję (HF1-HF2). W tribologicznych próbach zużycia przeprowadzonych metodą kula-tarcza (trzpień-tarcza) powłoki DLC wykazują współczynnik tarcia suchego μ = 0,10÷0,17 w skojarzeniu z Al2O3 a w skojarzeniu z drewnem sosnowym μ = 0,66÷0,68. Wskaźnik zużycia powłok DLC w skojarzeniu z Al2O3 wynosi 3,7×10–7 mm3/Nm, natomiast w skojarzeniu z drewnem sosnowym powłoki nie wykazują mierzalnego zużycia. Próby przemysłowe noży strugarskich ze stali HS6-5-2 pokrytych powłokami Cr/DLC, Cr/CrN/Cr/DLC, Cr/(CrN/CrCN)/Cr/DLC oraz niepokrytych przeprowadzono z wykorzystaniem komercyjnej strugarki dolnowrzecionowej przy obróbce drewna sosnowego. Ponad 2,5-krotnie mniejsze pole zużycia S wykazują noże strugarskie z powłoką Cr/(CrN/CrC)/Cr/DLC w porównaniu z nożami nie pokrytymi. Modyfikacja powierzchni natarcia noży powłokami z warstwą zewnętrzną DLC i podwarstwami na bazie chromu wpływa na zmniejszenie zużycia i pozwala na wydłużenie ich czasu pracy.

EN

The paper presents investigations results of coating properties with DLC (Diamond-Like Carbon) surface layers and three types of sublayers based on chromium: Cr/DLC, Cr/CrN/Cr/DLC and Cr/(CrN/CrCN)/Cr/DLC. It also presents test results of performance durability and wear forms of highspeed steel planer knives with these coatings. Chromium-based sublayers were produced by the cathodic arc evaporation (CVA) and DLC surface layers by the modified cathodic arc evaporation (MCVA). The DLC coatings have a high hardness ca. 34 GPa and good adhesion. In the scratch tests the Cr/DLC coatings exhibit the highest adhesion (critical load LC1 = 39 N, LC2 = 45 N) while coatings Cr/(CrN/CrCN)/Cr/DLC exhibit the lowest adhesion (LC1 = 27 N, LC2 = 39 N). The Rockwell C tests show that all coatings revealed high adhesion (HF1-HF2). DLC coatings in tribological wear tests, conducted by the ball-on-disk (pin-on-disk) method, showed the friction coefficient μ = 0.10÷0.17 in a frictional contact with Al2O3 and μ = 0.66÷0.68 in a frictional contact with pine wood. The wear rate coefficient of DLC coatings in a frictional contact with Al2O3 amounts to 3.7×10–7 mm3/Nm however in a frictional contact with pine wood they do not exhibit any wear. Industrial tests on HS6-5-2 high-speed steel planer knives with Cr/DLC, Cr/CrN/Cr/DLC, Cr/(CrN/CrCN)/Cr/DLC coatings and without any coatings were carried out using a commercial low-spindle planer used for machining pine wood. More than 2.5-fold lower value of wear area S showed planer knives with Cr/(CrN/CrC)/Cr/DLC coatings compared to uncoated planer knives. By modifying the rake faces of planer knives coated with DLC surface layers and chromium-based sublayers it resulted in less wear and allowed for significant improvements in their working time.

Słowa kluczowe

PL

katodowe odparowanie łukowe; warstwy DLC; podwarstwy na bazie chromu; właściwości powłok; próby przemysłowe; stal HS6-5-2; noże strugarskie; obróbka drewna

EN

cathodic vacuum arc; DLC coatings; chromium-based sublayers; coatings properties; industrial tests; HS6-5-2 steel; planer knives; woodworking

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 35, nr 6
• Strony: 535--539
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Pancielejko M.

• Instytut Technologii i Edukacji, Politechnika Koszalińska

autor

Czyżniewski A.

• Instytut Technologii i Edukacji, Politechnika Koszalińska

autor

Gilewicz A.

• Instytut Technologii i Edukacji, Politechnika Koszalińska

autor

Zavaleyev V.

• Instytut Technologii i Edukacji, Politechnika Koszalińska

Bibliografia

• [1] Pakuła D.: Forming of the surface structure and properties of tool‘s ceramic inserts with improved abrasion resistance. Archives of Materials Science & Engineering 64 (2) (2013) 55÷96.
• [2] Djouadi M.-A., Beer P., Marchal R., Sokolowska A., Lambertin M., Precht W., Nouveau C.: Antiabrasive coatings: application for wood processing. Surface & Coatings Technology 116-119 (1999) 508÷516.
• [3] Endler I., Bartsch K., Leonhardt A., Scheibe H.-J., Ziegele H., Fuchs I., Raatz Ch.: Preparation and wear behaviour of woodworking tools coated with superhard layers. Diamond and Related Materials 8 (1999) 834÷839.
• [4] Bouzakis K.-D., Koutoupas G., Siganos A., Leyendecker T., Erkens G., Papapanagiotou A., Nikolakakis P.: Increasing of cutting performance of PVD coated cemented carbide inserts in chipboard milling through improvement of the film adhesion, considering the coating cutting loads. Surface & Coatings Technology 133-134 (2000) 548÷554.
• [5] Kusiak A., Battaglia J.-L., Marchal R.: Influence of CrN coating in wood machining from heat flux estimation in the tool. International Journal of Thermal Sciences 44 (2005) 289÷301.
• [6] Pinheiro D., Vieira M. T., Djouadi M.-A.: Advantages of depositing multilayer coatings for cutting wood-based products. Surface & Coatings Technology 203 (2009) 3197÷3205.
• [7] Ratajski J., Gulbiński W., Staśkiewicz J., Walkowicz J., Myśliński P., Czyżniewski A., Suszko T., Gilewicz A., Warcholiński B.: Hard coatings for woodworking tools – a review. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 37 (2) (2009) 668÷674.
• [8] Nouveau C., Djouadi M.-A., Marchal R., Lambertin M.: Applications of hard coatings (Cr x N y ) obtained by P.V.D. methods in wood machining. Mécanique & Industries 3 (2002) 333÷342.
• [9] Gilewicz A.: Wielowarstwowe twarde pokrycia na bazie azotku chromu z dodatkiem węgla w zastosowaniu do narzędzi do obróbki drewna. Praca doktorska, Politechnika Koszalińska, Koszalin (2010).
• [10] Warcholinski B., Gilewicz A.: Multilayer coatings on tools for woodworking. Wear 271 (2011) 2812÷2820.
• [11] Faga M. G., Settineri L.: Innovative anti-wear coatings on cutting tools for wood machining. Surface & Coatings Technology 201 (2006) 3002÷3007.
• [12] Hakovirta M.: Hardmetal woodcutting tool tips coated with tetrahedral amorphous carbon. Diamond and Related Materials 8 (1999) 1225÷1228.
• [13] Sheikh-Ahmad J. Y., Stewart J. S., Feld H.: Failure characteristics of diamond-coated carbides in machining wood-based composites. Wear 255 (2003) 1433÷1437.
• [14] Kaczorowski W., Batory D., Szymański W., Niedzielski P.: Carbon-based layers for mechanical machining of wood-based materials. Wood Science and Technology 46 (6) (2012) 1085÷1096.
• [15] Pancielejko M., Czyżniewski A., Gilewicz A., Zavaleyev V., Szymański W.: The cutting properties and wear of the knives with DLC and W-DLC coatings, deposited by PVD methods, applied for wood and wood-based materials machining. Archives of Materials Science and Engineering 58 (2) (2012) 235÷244.
• [16] Gilewicz A., Warcholinski B., Szymanski W., Grimm W.: CrCN/CrN+ ta-C multilayer coating for applications in wood processing. Tribology International 57 (2013) 1÷7.
• [17] Grimm W., Weihnacht V.: Properties of super-hard carbon films deposited by pulsed arc process. Vacuum 85 (2010) 506÷509.
• [18] Pancielejko M., Czyżniewski A., Zavaleyev V., Pander A., Wojtalik K.: Optimization of the deposition parameters of DLC coatings with the MCVA method. Archives of Materials Science and Engineering 54 (2) (2012) 60÷67.
• [19] VDI-Fachausschuss. Qualitätssicherung bei der PVD- und CVD-Hartstoffbeschichtung. VDI 3824, Düsseldorf (2001).
• [20] Wänstrand O., Larsson M., Hedenqvist P.: Mechanical and tribological evaluation of PVD WC/C coatings. Surface & Coating Technology 111 (1999) 247÷254.
• [21] Precht W., Pancielejko M., Czyżniewski A.: Structure and tribological properties of carbon and carbon nitride films, obtained by the ARC method. Vacuum 53 (1999) 109÷112.
• [22] Pancielejko M., Precht W.: Structure, chemical and phase composition of hard titanium carbon nitride coatings deposited on HS6-5-2 steel. Journal of Materials Processing Technology 157-158 (2004) 394÷398.
• [23] Lifshitz Y.: Diamond-like carbon – present status. Diamond and Related Materials 8 (1999) 1659÷1676.
• [24] Leyland A., Matthews A.: On the significance of the H/E ratio in wear control: a nanocomposite coating approach to optimised tribological behavior. Wear 246 (2000) 1÷11.