Przeciwzużyciowe powłoki TiAlN modyfikowane wanadem

• Autorzy: Tomaszewski Ł. , Urbanowicz A. , Suszko T. , Gulbiński W.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2015.5.23

Warianty tytułu

EN

TiAlN wear resistant coatings modified by vanadium addition

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Powłoki na bazie TiAlN są szeroko wykorzystywane w celu ograniczenia zużycia narzędzi skrawających. Powłoki te wykazują znaczną odporność na ścieranie oraz stabilność termiczną. Niestety utlenianie powłoki prowadzi do powstawania wydzieleń tlenku glinu, co skutkuje istotnym wzrostem współczynnika tarcia suchego względem stali. Zmniejszenie tarcia z zachowaniem innych właściwości mechanicznych tego typu powłok powinno prowadzić do zmniejszenia energii traconej w procesie skrawania, a tym samym obniżenia temperatury narzędzia i spowolnienia procesów jego zużycia. Zmniejszenie siły tarcia w węźle tribologicznym jest możliwe w wyniku modyfikacji składu chemicznego powłoki. W pracy zawarto wyniki badań składu chemicznego i fazowego oraz właściwości mechanicznych i tribologicznych powłok na bazie TiAlN wytworzonych z wykorzystaniem reaktywnego odparowania w łuku próżniowym, osadzonych na podłożach ze stali szybkotnącej SW7M. W procesie nanoszenia w wieloźródłowym urządzeniu hybrydowym warstwa wierzchnia powłoki TiAlN była domieszkowana wanadem z wykorzystaniem dodatkowego źródła magnetronowego. Wyniki badań potwierdziły korzystny wpływ domieszkowania wanadem wierzchniej warstwy powłoki TiAlN z zachowaniem jej bardzo dobrych właściwości mechanicznych oraz adhezji. Zaobserwowano zmniejszenie współczynnika tarcia oraz wskaźnika zużycia powłok przy zawartości wanadu 5,5±0,5% at. Obserwowany efekt zmniejszenia tarcia jest interpretowany jako konsekwencja obecności wanadu, którego tlenki powstające w procesie utleniania termicznego i tribochemicznego powłoki wykazują właściwości samosmarujące, szczególnie w podwyższonej temperaturze.

EN

TiAlN-based coatings are widely used in order to reduce wear of cutting tools. They are characterized by high resistance to abrasive wear and thermal stability. Unfortunately, oxidation of the coating leads to the formation of aluminium oxide, which contributes to significant increase of coefficient of dry friction versus steel. The reduction of friction, while maintaining other mechanical properties of this type of coatings, should lead to reduction of the energy lost in the cutting process and thus reduce the temperature of the tool and lower its wear rate. Lowering the friction force in the tribological contact is possible by modifying the chemical composition of the coating. This paper contains study results of chemical and phase composition, as well as mechanical and tribological properties of coatings based on TiAlN, deposited at high speed steel (SW7M) substrates in a hybrid system, by the reactive vacuum arc evaporation. The top layer of coatings was doped with vanadium from additional magnetron source. The results confirmed the beneficial effects of doping of the coating top layer with vanadium. Modified TiAlN coatings maintain their excellent mechanical properties and adhesion. Simultaneously, reduction of friction coefficient and wear rate of coatings was observed for vanadium content up to 5.5±0.5 at. %. Observed effect of reduction of friction is interpreted as a consequence of presence of vanadium, which oxides formed in the process of thermal and tribochemical oxidation show self-lubricating properties, in particular at elevated temperature.

Słowa kluczowe

PL

TiAlN; reaktywne odparowanie łukowe; wanad; powłoki; zużycie; właściwości tribologiczne

EN

TiAlN; reactive vacuum arc deposition; vanadium; coatings; wear; tribological properties

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 36, nr 5
• Strony: 310--313
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Tomaszewski Ł.

• Wydział Inżynierii Materiałowej, Politechnika Łódzka

autor

Urbanowicz A.

• Wydział Technologii i Edukacji, Politechnika Koszalińska

autor

Suszko T.

• Wydział Technologii i Edukacji, Politechnika Koszalińska

autor

Gulbiński W.

• Wydział Technologii i Edukacji, Politechnika Koszalińska

Bibliografia

• [1] Khrais S., Lin Y.: Wear mechanisms and tool performance of TiAlN PVD coated. Wear 262 (2007) 64÷69.
• [2] Freller H., Haessler H.: TixAl1 − xN films deposited by ion plating with an arc evaporator. Thin Solid Films 153 (1987) 67÷74.
• [3] Zhao H., Wang X., Liu Q., Chen L., Liu Z.: Structure and wear resistance of TiN and TiAlN coatings on AZ91 alloy deposited by multi-arc ion plating. Transactions of Nonferrous Metals Society of China 20 (2010) 679÷682.
• [4] Mclntyre D., Greene J. E., Hakansson G., Sundgren J., Munz W. D. E.: Oxidation of metastable single-phase polycrystalline Ti0.5Al0.5N films: Kinetics and mechanisms. J. Appl. Phys. 67 (1990) 1542.
• [5] Jehn H., Hoffmann S., Rückborn V. E., Münz W. D.: Morphology and properties of sputtered (Ti, Al)N layers on high speed steel substrates as a function of deposition temperature and sputtering atmosphere. J. Vac. Sci. Technol. A4 (1986) 2701÷2705.
• [6] Hardell J., Prakash B.: Tribological performance of surface engineered tool steel at elevated temperatures. Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials 28 (2010) 106÷114.
• [7] Gardos M. N.: Magneli phases of anion-deficient rutile as lubricious oxides. Part I. Tribological behaviour of single crystal and polycrystalline rutile TinO2n − 1.Tribology Letters 8 (2000) 65÷78.
• [8] Suszko T., Gulbiński W., Jagielski J.: The role of surface oxidation in friction processes on molybdenum nitride thin films. Surface and Coatings Technology 194 (2005) 319÷324.
• [9] Constable C. P., Yarwood J., Hovsepian P. E., Donohue L. A., Lewis D. B., Münz W. D.: Structural determination of wear debris generated from sliding wear tests on ceramic coatings using Raman microscopy. Journal of Vacuum Science & T 18 (2000) 1681÷1689.
• [10] Gulbiński W., Suszko T., Sienicki W., Warcholiński B.: Tribological properties of silver- and copper-doped transition metal oxide coatings. Wear 254 (2003) 129÷135.
• [11] Aksenov I., Bren V. G., Padalka V. G., Sablev L. P., Stupak R. I., Khoroshikh V. M.: US Patent No.4.551.221. Nov. 5 (1985).
• [12] VDI 3198 standard procedure. Verein Deutscher Ingenieure Normen, VDI Verlag, Dusseldorf (1991).
• [13] Barshilia H. C., Prakash M. S., Jain A., Rajam K.: Structure, hardness and thermal stability of TiAlN and nanolayered TiAlN/CrN multilayer films. Vacuum 77 (2005) 169÷179.
• [14] Kimura A., Hasegawa H., Yamada K., Suzuki T.: Effects of Al content on hardness, lattice parameter and microstructure of Ti1 − xAlxN films. Surface and Coatings Technology 120-121 (1999) 438÷441.
• [15] Pfeiler M., Kutschej K., Penoy M., Michotte C., Mitterer C., Kathrein M.: The effect of increasing V content on structure, mechanical and tribological properties of arc evaporated Ti–Al–V–N coatings. Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials 27 (2009) 502÷506.
• [16] Zhou Z., Rainforth W. M, Rodenburg C., Hyatt N. C, Lewis D. B., Hovsepian P. E.: Oxidation behaviour and mechanisms of TiAlN/VN coatings. Metallurgical and Materials Transactions A 38A (2007) 2464÷2478.
• [17] Kutschej K., Mayrhofer P. H., Kathrein M., Polcik P., Mitterer C.: Influence of oxide phase formation on the tribological behavior of Ti–Al–V–N coatings. Surface & Coatings Technology 200 (2005) 1731÷1737.