Struktura powłok CrN wytworzonych metodą katodowego odparowania łukowego w układzie stacjonarnym

• Autorzy: Warcholiński B. , Gilewicz A. , Łupicka O. , Kolodiy I. V. , Kuprin A. S.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2015.5.20

Warianty tytułu

EN

Structure of CrN coatings formed using cathodic arc evaporation in stationary system

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Powłoki ochronne na narzędziach i częściach maszyn to skuteczny sposób na poprawę ich trwałości. Ze względu na dobrą odporność na utlenianie i zużycie powłoki azotku chromu są powszechnie stosowane w przemyśle. Prowadzone są prace zmierzające do dalszej poprawy właściwości powłok oraz rozszerzenia zakresu zastosowań. Celem pracy było zbadanie wpływu ciśnienia azotu pN2 i natężenia polaryzacji podłoża UB na szybkość nanoszenia, chropowatość i strukturę powłok Cr–N otrzymanych na podłożach ze stali HS6-5-2 o średnicy 32 mm. Podłoża umieszczono równolegle do katody, a powłoki formowano na ich stronie przedniej i tylnej. Stwierdzono, że grubość powłok uzyskanych na przedniej stronie podłoża jest w przybliżeniu jednakowa niezależnie od pN2 i UB. W przypadku powłok formowanych na odwrotnej stronie podłoża ze wzrostem pN2 grubość powłoki rośnie, a ze wzrostem UB nie wykazuje monotonicznego charakteru zmian. Badania struktury krystalicznej powłok prowadzono na urządzeniu DRON 4. Stwierdzono, że ze wzrostem ciśnienia azotu następuje zmiana struktury fazowej zależna od strony podłoża, na której formowana jest powłoka. Na przedniej stronie podłoża można zaobserwować przemianę Cr2N → CrN, natomiast na tylnej Cr + Cr2N → Cr2N + CrN → CrN. Wzrost napięcia polaryzacji podłoża powoduje zmianę uprzywilejowanej orientacji płaszczyzn, a także w wyniku rozpylania wstecznego przemianę fazową CrN → Cr2N + CrN. Powłoki są silnie steksturowane, współczynnik tekstury zależy od warunków formowania powłoki, to jest ciśnienia azotu i napięcia polaryzacji podłoża.

EN

Protective coatings on tools and machine parts is an effective way to improve their durability. Due to good resistance to oxidation and wear chromium nitride coatings are widely used in industry. The works aimed at further improving the properties of the coatings and to extend its applications are carried out. The goal of this study was to investigate the effect of nitrogen pressure pN2 and substrate bias voltage UB on the deposition rate, roughness and structure of Cr–N coatings formed on HS6-5-2 steel substrates with a diameter of 32 mm. Substrates were placed parallel to the cathode, and a coating was formed on their front and reverse sides. It was found that coating thicknesses obtained on the front side of the substrate are approximately the same regardless of pN2 and UB. In the case of coatings formed on the reverse side of the substrate with increasing of pN2 the coating thickness increases, and the increase of UB does not show the monotone character changes of the coating thickness. The studies of the crystal structure of the coatings was performed on a DRON 4 device. It was found that with increasing nitrogen pressure the change of phase composition depends on the substrate side on which the coating is formed. On the front side of the substrate can be observed conversion of Cr2N → CrN, while on the reverse side: Cr + Cr2N → Cr2N + CrN → CrN. Increase in substrate bias voltage changes the preferred orientation of the planes, and as a result of resputtering the phase change CrN → Cr2N + CrN. The coatings are highly textured, the texture coefficient depends on the conditions of formation of the coating, i.e. nitrogen pressure and substrate bias voltage.

Słowa kluczowe

PL

azotek chromu; struktura krystaliczna; tekstura

EN

chromium nitride; crystal structure; texture

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 36, nr 5
• Strony: 296--300
• Opis fizyczny: Bibliogr. 24 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Warcholiński B.

• Wydział Technologii i Edukacji, Politechnika Koszalińska

autor

Gilewicz A.

• Wydział Technologii i Edukacji, Politechnika Koszalińska

autor

Łupicka O.

• Wydział Technologii i Edukacji, Politechnika Koszalińska

autor

Kolodiy I. V.

• Narodowe Centrum Naukowe, Charkowski Instytut Fizyki i Technologii, Charków, Ukraina

autor

Kuprin A. S.

• Narodowe Centrum Naukowe, Charkowski Instytut Fizyki i Technologii, Charków, Ukraina

Bibliografia

• [1] Beer B.: In situ examinations of the friction properties of chromium coated tools in contact with wet wood. Tribol. Lett. 18 (2005) 373÷376.
• [2] Benlatreche Y., Nouveau C., Aknouche H., Imhoff L., Martin N., Gavoille J., Rousselot C., Rauch J.-Y., Pilloud D.: Physical and mechanical properties of CrAlN and CrSiN ternary systems for wood machining applications. Plasma Phys. Polym. 6 (2009) S113÷119.
• [3] 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. Surf. Coat. Technol. 133-134 (2000) 548÷554.
• [4] Bull S. J., Bhat D. G., Staia M. H.: Properties and performance of commercial TiCN coatings. Part 2: Tribological performance. Surf. Coat. Technol. 163-164 (2003) 507÷514.
• [5] Kopac J., Sokolic M., Dolinek S.: Tribology of coated tools in conventional and HSC machining. J. Mater. Proc. Technol. 118 (2001) 377÷384.
• [6] Kusiak A., Battaglia J. L., Marchal R.: Influence of CrN coating in wood machining from heat flux estimation in the tool. Int. J. Thermal. Sci. 44 (2005) 289÷301.
• [7] Barshilia H. S., Selvakumar N., Deepthi B., Rajam K. S.: A comparative study of reactive direct current magnetron sputtered CrAlN and CrN coatings. Surf. Coat. Technol. 201 (2006) 2193÷2201.
• [8] Wan X. S., Zhao S. S., Yang Y., Gong J., Sun C.: Effects of nitrogen pressure and pulse bias voltage on the properties of Cr–N coatings deposited by arc ion plating. Surf. Coat. Technol. 204 (2010) 1800÷1810.
• [9] Ruden A., Restrepo-Parra E., Paladines A. U., Sequeda F.: Corrosion resistance of CrN thin films produced by dc magnetron sputtering. Appl. Sci. Surf. 270 (2013) 150÷156.
• [10] Warcholinski B., Gilewicz A., Ratajski J., Kuklinski Z., Rochowicz J.: An analysis of macroparticle-related defects in the CrCN and CrN coatings in dependence on the substrate bias voltage. Vacuum 86 (2012) 1235÷1239.
• [11] Rebholz C., Ziegele H., Leyland A., Matthew A.: Structure, mechanical and tribological properties of nitrogen-containing chromium coatings prepared by reactive magnetron sputtering. Surf. Coat. Technol. 115 (1999) 222÷229.
• [12] Aksenov I. I., Belous V. A.: Vacuum-arc equipment for ion-plasma deposition of coatings. Probl. Atom. Sci. Technol.: Plasma Phys. 3 (5) (2000) 156÷158.
• [13] Aksenov I. I., Andreev A. A., Belous V. A., Strel’nitskii V. E., Khoroshikh V.M.: Vacuum arc: plasma sources, deposition of coatings, surface modification. (in Russian). Naukova Dumka, Kiev (2012).
• [14] Khoroshikh V. M., Leonov S. A., Belous V. A.: Features of the process of vacuum-arc produced Ti-plasma flux deposition under gas pressure of 1 to 10 Pa. Surf Coat Technol 261 (2015) 167÷173.
• [15] Khoroshikh V. M., Leonov S. A., Belous V. A., Vasilenko R. L., Kolodiy I. V., Kuprin A. S., Tikhonovskiy V. A., Tolmacheva G. N.: Structure and mechanical properties of ZrN coatings formed by deposition of vacuum arc plasma fluxes. (in Russian). Phys. Surf. Eng. 12 (1) (2014) 45÷56.
• [16] Creasey S., Lewis D. B., Smith I. J., Munz W. D.: SEM image analysis of droplet formation during metal ion etching by a steered arc discharge. Surf. Coat. Technol. 97 (1997) 163÷175.
• [17] Munz W. D., Smith I. J., Lewis D. B., Creasey S.: Droplet formation on steel substrates during cathodic steered arc metal ion etching. Vacuum 48 (1997) 473÷481.
• [18] Rebholz C., Ziegele H., Leyland A., Matthew A.: Structure, mechanical and tribological properties of nitrogen-containing chromium coatings prepared by reactive magnetron sputtering. Surf. Coat. Technol. 115 (1999) 222÷229.
• [19] Oden M., Almer J., Hakansson G.: The effects of bias voltage and annealing on the microstructure and residual stress of arc-evaporated Cr–N coatings. Surf. Coat. Technol. 120-121 (1999) 272÷276.
• [20] Wang D. Y., Weng K. W.: Deposition of CrN coatings by current-modulating cathodic arc evaporation. Surf. Coat. Technol. 137 (2001) 31÷37.
• [21] Warcholinski B., Gilewicz A., Ratajski J., Kuklinski Z., Rochowicz J.: An analysis of macroparticle-related defects on CrCN and CrN coatings in dependence of the substrate bias voltage. Vacuum 86 (2012) 1235÷1239.
• [22] Almer J., Odén M., Håkansson G.: Microstructure, stress and mechanical properties of arc-evaporated Cr–C–N coatings. Thin Solid Films 385 (2001) 190÷197.
• [23] Ovcharenko V. D., Kuprin A. S., Tolmachova G. N., Gilewicz A., Lupicka O., Rochowicz J., Warcholinski B.: Deposition of chromium nitride coatings from vacuum arc plasma in increased nitrogen pressure. Probl. Atomic Sci. Technol.: Plasma Phys. 6 (20) (2014) 204÷207.
• [24] Barret C. S., Massalski T. B.: Structure of metals. Pergamon Press, Oxford (1980).