Optimising tribological properties of anti-wear AlCrN coatings deposited by the cathodic arc method

• Autorzy: Bujak J. , Paćko D. , Smolik J.

Warianty tytułu

PL

Optymalizacja właściwości tribologicznych powłok AlCrN osadzanych metodą łukową

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The Taguchi method was applied to achieve the optimum anti-wear performance of AlCrN hard coatings deposited by the cathodic arc evaporation technique. Four deposition processes parameters i.e. nitrogen pressure, arc current, bias voltage and substrate temperature with three levels were selected to estimate the influence of each factor on the coatings defects and their mechanical and tribological properties. Based on the statistical analyses, the optimum deposition conditions were determined to manufacture AlCrN coatings with the best tribological behaviour. The results demonstrate that, the nitrogen pressure, arc current and the bias voltage influence the volume wear of the coating to the greatest extent. The results of the study of the surface topography and the mechanical properties of the AlCrN coatings showed that, in order to obtain the greatest resistance to wear, the coating must be sufficiently smooth (with a low number of surface defects), hard and demonstrate a good adhesion to the substrate. The optimum deposition conditions of the AlCrN coatings with the greatest resistance to wear are as follows: the nitrogen pressure 2.6 Pa, arc current 50 A, negative bias voltage 150 V and substrate temperature 465°C.

PL

W artykule zaprezentowano wykorzystanie metody Taguchi do optymalizacji odporności przeciwzużyciowej twardych powłok AlCrN wytwarzanych metodą katodowego odparowywania łukowego. Do wyznaczenia wpływu warunków osadzania na zdefektowanie powłok, ich właściwości mechaniczne oraz tribologiczne wytypowano cztery podstawowe parametry procesu osadzania, tj.: ciśnienie azotu, prąd łuku, napięcie polaryzacji i temperaturę podłoża z trzema poziomami wartości. Na podstawie wykonanych analiz statystycznych określono optymalne parametry osadzania umożliwiające wytwarzanie powłok AlCrN o największej odporności na zużycie. Uzyskane wyniki badań wskazują, że spośród analizowanych parametrów procesu osadzania dominujący wpływ na zminimalizowanie zużycia objętościowego wywierają: ciśnienie azotu, prąd łuku, napięcie polaryzacji. Badania topografii powierzchni i właściwości mechanicznych wytworzonych powłok CrAlN wykazały, że dla zapewnienia najwyższej odporności na ścieranie powłoka powinna charakteryzować się wysoką gładkością powierzchni (z niskim udziałem wad powierzchniowych), dostatecznie dużą twardością oraz dobrą przyczepnością do podłoża. Dla osiągnięcia podwyższonej odporności na zużycie dla powłoki AlCrN wyznaczono optymalne warunki osadzania, które powinny być następujące: ciśnienie azotu 2,6 Pa, prąd łuku 50 A, ujemne napięcia polaryzacji 150 V i temperatura podłoża 465°C.

Słowa kluczowe

EN

AlCrN coatings; cathodic arc deposition; coating anti-wear properties; Taguchi method

PL

powłoki AlCrN; osadzanie metodą łukową; właściwości przeciwzużyciowe; metoda Taguchi

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2014
• Tom: nr 6
• Strony: 11--22
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bujak J.

• Institute for Sustainable Technologies – National Research Institute, Pułaskiego 6/10, 26-600 Radom, Poland

autor

Paćko D.

• Institute for Sustainable Technologies – National Research Institute, Pułaskiego 6/10, 26-600 Radom, Poland

autor

Smolik J.

• Institute for Sustainable Technologies – National Research Institute, Pułaskiego 6/10, 26-600 Radom, Poland

Bibliografia

• 1. Aihua, L., Jianxin, D., Haibing, C., Yangyang, C., Jun, Z. Friction and wear properties of TiN, TiAlN, AlTiN and CrAlN PVD nitride coatings. . Int. J. Refract. Met.Hard Mater 2012, 31, 82–88.
• 2. Wang, L., Zhong, S., Chen, Z., Li, J., Li, M. Influence of deposition parameters on hard Cr-Al-N coatings deposited by multi-arc ion plating. Appl. Surf. Sci. 2012 2583629-3636.
• 3. Endrino, J.L., Fox-Rabinovich, G.S., Reiter, A., Veldhuis, S.V., Escobar Galindo, R., Albella, J.M., Marco, J.F. Oxidation tuning in AlCrN coatings. Surf. Coat. Technol. 2006, 201, 4505–4511.
• 4. Lin, J., Mishra, B., Moore, J.J., Sproul, W.D. A study of the oxidation behavior Of CrN and CrAlN thin films in air using DSC and TGA analyses. Surf. Coat. Technol. 2008, 202, 3272–3283.
• 5. Kawate, M., Hashimoto, A.K., Suzuki, T. Oxidation resistance of Cr1-xAlxN and Ti1-xAlxN films. Surf. Coat. Technol. 2003, 165, 163–167.
• 6. Bobzin, K., Lugscheider, E., Nickel, R., Bagcivan, N., Krämer, A. Wear behavior of Cr1-xAlxN PVD-coatings in dry running condition. Wear 2007 263 1274–1280.
• 7. Fox-Rabinovich, G.S., Beake, B. D., Endrino, J.L., Veldhuis, S.C., Parkinson, R., Shuster, L.S., Migronov, M.S. Effect of mechanical properties measured at room and elevated temperatures on wear resistance of cutting tools with TiAlN and AlCrN coatings. Surf. Coat. Technol. 2006, 200, 5738–5742.
• 8. Kalss, W., Reiter, A., Derflinger, V., Gey, C., Endrino, J.L. Modern coatings in high performance cutting application. Int. J. Refract. Met. Hard Mater.2006 24 3999–404.
• 9. Spain, E., Avelar-Batista, J.C., Letch, M., Houdsen, J., Lerga, B. Characterisation and application of Cr-Al-N coatings. Surf. Coat. Technol. 2005 200 1507–1513.
• 10. Benlatreche, Y., Nouveau, C., Marchal, R., Ferreira Martins, J.P., Aknouche, H. Applications of CrAlN trenary system in wood of medium density fibre board (MDF). Wear 2009, 267, 1056–1061.
• 11. Reitner, A.E., Derflinger, V.H., Hanselmann, B., Bachmann, T., Sartory, B. Investigation of the properties of Al1-xCrxN coatings prepared by cathodic arc evaporation. Surf. Coat. Technol. 2005 200 2114-2122.
• 12. Polar, T., Vitu, T., Sandor, J., Cavaleiro, A. Tribological performance of CrAlSiN coatings at high temperature. Plasma Process. Polym. 2009. 6 5935–5940.
• 13. Mo, J.L., Zhu, M.H. Sliding tribological behaviors of PVD CrN and AlCrN coatings against Si3N4 ceramic and pure titanium. Wear 2009 267 874–881.
• 14. Taguchi, G., Introduction to quality engineering Tokyo: Asian Productivity Organization (1990).
• 15. Ross, P.J., Taguchi technique for quality engineering 2nd ed. New York: McGraw-Hill (1995).
• 16. Harlin P., Bexell U., Olsson M. Influence of surface topography of arc-deposited TiN and sputter-deposited WC/C coatings on the initial sliding contact conditions, Surf. Coat. Technol. 203 (2009) 1748– 1755.
• 17. Harlin P., Bexell U., Carlsson P., Olsson M. Influence of surface roughness of PVD coatings on tribological performance in sliding contacts, Surf. Coat. Technol. 201 (2006) 4253–4259.
• 18. Luo, Q., Rainforth, W.M., Münz, W.-D. Wear mechanisms of monolithic and multicomponent nitrid coatings growth by combined arc etching and unbalanced magnetron sputtering, Surf. Coat. Technol. 146–147 (2001) 430–435.