Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

The Effect of MeC Nanoparticles on the Micromechanical and Tribological Properties of Carbon Composite Coatings

Zimowski S., Kot M., Moskalewicz T.

Tribologia

|

2018

|

nr 4

157--163

EN

Nanocomposite carbon coatings composed of a nanocrystalline phase and an amorphous carbon matrix (a-C or a-C:H) are an important group of coatings for tribological applications, especially if low friction is desired. Strong adhesion between the coating and the substrate as well as the ability to carry load are particularly important in ensuring the durability of the system. In this paper, the impact of a reinforcing phase in the form of hard carbides of chromium, titanium and tungsten (MeC) on the micromechanical and tribological properties of MeC/a-C coatings were analysed. The microhardness and modulus of elasticity using the indentation method and adhesion of these coatings to the substrate in scratch tests were determined. On the basis of tribological tests, the friction coefficient and wear rate of the coatings were determined during nonlubricated sliding contact with an alumina ball. The tested nanocomposite coatings showed very good sliding properties and wear resistance. The nc-WC/a-C and nc-TiC/a-C coatings exhibit the smallest coefficient of friction (below 0.1) and the highest wear resistance. The presence of nanocrystalline carbides in the amorphous carbon matrix limits the propagation of cracks in the coatings and allows the higher load carrying capacity.

PL

Nanokompozytowe powłoki węglowe złożone z nanokrystalicznej fazy i amorficznej osnowy węglowej (a-C lub a-C:H) stanowią ważną grupę powłok do zastosowań tribologicznych, zwłaszcza jeżeli pożądane jest niskie tarcie. Silna adhezja pomiędzy powłoką i podłożem oraz zdolność do przenoszenia obciążeń stykowych są szczególnie ważne w zapewnieniu trwałości systemu. W pracy dokonano analizy wpływu fazy wzmacniającej w postaci twardych węglików chromu, tytanu i wolframu (MeC) na właściwości mikromechaniczne i tribologiczne powłok MeC/a-C. Wyznaczono mikrotwardość i moduł sprężystości tych powłok metodą indentacyjną oraz ich adhezję do podłoża w teście zarysowania. Na podstawie badań tribologicznych w niesmarowanym styku ślizgowym typu kula/tarcza wyznaczono współczynnik tarcia oraz wskaźnik zużycia objętościowego powłok. Badane powłoki nanokompozytowe wykazały bardzo dobre właściwości ślizgowe oraz odporność na zużycie. Powłoki nc-WC/a-C i nc-TiC/a-C mają najmniejszy współczynnik tarcia poniżej wartości 0,1 i największą odporność na zużycie. Obecność w amorficznej osnowie węglowej nanokrystalicznych węglików ogranicza pękanie tych powłok i umożliwia przenoszenie większych obciążeń.

2

Adaptive coatings a-C/MoS2

Kot M., Lackner J., Major Ł., Major R., Skalski K., Wiązania G., Zimowski S.

Tribologia

|

2018

|

nr 2

51--56

EN

One of the latest ideas in surface engineering is the deposition of new kinds of coatings, called adaptive or chameleon. Based on literature review, the different mechanisms of the adaption of such coatings depend on the applied ranges of temperature and loads were compared. Moreover, the main directions of development of adaptive coatings were also presented. The paper includes results of single coatings, a-C and MoS2, as well composite coatings, a-C/MoS2, in which the mechanism of adaptation was expected. Indentation tests were carried out to determine nanohardness and elasticity modulus. The adhesion of coatings to steel substrates was studied by scratch testing, and tribological properties were studied using a high-temperature ball-on disc tribometer and tests results conducted at room temperature and at elevated temperatures up to 300°C. Results showed that composite coating, a-C/MoS2, can work over the entire range of temperatures with a low coefficient of friction 0.02–0.1 and wear index of 0.07–0.47•10–6 mm3/Nm. Whereas, a-C and MoS2 coatings exhibited a low coefficient of friction and a high wear resistance at low and high temperatures, respectively.

PL

W pracy przedstawiono nowy kierunek w inżynierii powierzchni tworzenia powłok adaptacyjnych, zwanych także kameleonowymi. Na podstawie analizy literatury zestawiono różne mechanizmy adaptacji powłok, w zależności od zakresu stosowanych temperatur pracy i kierunki rozwoju takich powłok. Przedstawiono także wyniki badań własnych dla powłok pojedynczych a-C i MoS2 i na ich tle wyniki dla powłok a-C/MoS2, w których spodziewano się mechanizmu adaptacji. Przeprowadzono testy indentacyjne, z których wyznaczono ich nanotwardość i moduł sprężystości. Analizowano także adhezję powłok do podłoży stalowych przy użyciu testu zarysowania. Testy tribologiczne przeprowadzono w temperaturze pokojowej oraz w podwyższonej do 300°C. Uzyskane wyniki wykazały, że w odróżnieniu do powłok a-C i MoS2 powłoki a-C/MoS2 mogą pracować w całym zakresie badanych temperatur. Wskazują na to niskie wartości współczynnika tarcia 0,02–0,1 i wskaźnika zużycia 0,07–0,47•10–6 mm3/Nm.

3

Studies on influence of graphite inclusion size on properties of SiC-graphite composites

Gubernat A., Kornaus K., Rączka M., Piekarczyk W., Zimowski S., Muś B.

Composites Theory and Practice

|

2018

|

R. 18, nr 3

180--187

EN

The study presents research on the influence of the size of solid lubricant inclusions-graphite on the properties of pressureless sintered SiC-graphite composites. The purpose of these composites is to achieve a self-lubricating effect between the working elements of a friction seal. For this purpose, studies were carried out, on the basis of which the composite with the inclusion size that provides the optimal mechanical andtribological properties was selected. The apparent density, hardness, bending strength, abrasive wear resistance, friction coefficient and linear wear in contact of the same kind of material pairs were determined. Mechanical and tribological tests were correlated with qualitative and quantitative microstructure analyses, on the basis of which it was found that SiC-graphite composites with inclusions not larger than 0.056 mm meet the requirements for the materials used to produce self-lubricanting elements of face seals. It was then observed that small inclusions of graphite are more uniformly distributed in the SiC matrix.

PL

Przedstawiono badania poświęcone wpływowi wielkości wtrąceń smaru suchego - grafitu na właściwości spiekanych swobodnie kompozytów SiC-grafit. Zadaniem takich kompozytów jest uzyskanie efektu samosmarowania pomiędzy pracującymi, w styku ślizgowym elementami uszczelnienia czołowego. W tym celu wykonano badania, na podstawie których wybrano kompozyt z wielkością wtrąceń zapewniającą optymalne właściwości mechaniczno-tribologiczne. Wyznaczono gęstość pozorną, twardość, wytrzymałość na zginanie, odporność na zużycie ścierne, wartość współczynnika tarcia i zużycia liniowego w kontakcie jednoimiennym. Wykonane badania mechaniczno-tribologiczne skorelowano z jakościową i ilościową analizą mikrostruktury, na tej podstawie stwierdzono, że wymogi stawiane materiałom służącym do budowy elementów konstrukcyjnych samosmarujących się uszczelnień czołowych spełniają kompozyty SiC-grafit o wtrąceniach nie większych niż 0.056 mm. Zaobserwowano wówczas, że drobne wtrącenia grafitu są gęściej i równomierniej rozmieszczone w osnowie SiC.

4

The Role of Microstructure in High Temperature Tribology of Iron Alloys

Krawczyk J., Rożniata E., Zimowski S., Kot M., Dąbrowski R., Dziurka R., Frocisz Ł.

Archives of Metallurgy and Materials

|

2018

|

Vol. 63, iss. 2

915--920

EN

The present paper describe the issue of tool materials wear in a high temperature conditions. The investigations were performed at the cast steel tool material at the tribological contact to the structural steel. The investigations aim was to determine the role of microstructure in a tribological properties between the structural steel and tool material. The results of such investigation could be referenced to the industry conditions and could answer about the problems of tool materials wear. The observations of the wear mechanisms were referred to the microstructure of the mill rolls. The laboratory tests ware aimed at evaluating the thermal treatment modification effect on the cast steels properties. A significant role of the morphology of ledeburitic cementite and secondary cementite on the tribological properties was exhibited. The investigations assumed the presence of an austenitic matrix with primary and secondary cementite. Influence of varying morphology carbides was described. in the cast steel microstructure. The investigation results make possible to point to a direction of carbide morphology change with the purpose of obtaining the assumed properties of hot operation tools.

5

Tribological properties of plasma sprayed Al2O3-13TiO2 nanostructured coatings

Żórawski W., Góral A., Makrenek M., Zimowski S.

Tribologia

|

2017

|

nr 2

157--165

PL

Materiały ceramiczne są szeroko stosowane w różnych zastosowaniach przemysłowych na częściach maszyn, które są narażone na wysokie temperatury, zużycie oraz korozję. Obecnie materiały nanostrukturalne znalazły się w obszarze szczególnego zainteresowania z powodu ich właściwości fizycznych i mechanicznych, które są znacznie lepsze od materiałów konwencjonalnych. Natryskiwanie plazmowe jest jedną z technik inżynierii powierzchni umożliwiającą osadzanie powłok o różnych właściwościach dla zastosowań przemysłowych. W artykule przedstawiono badania mikrostruktury i właściwości tribologicznych powłok natryskanych plazmowo z nanostrukturalnego i konwencjonalnego proszku Al2O3-13TiO2. Powłoki zostały natryskane przy użyciu systemu plazmowego Plancer PN-120. Tester tribologiczny T-01 typu kulka – pierścień został użyty do zbadania współczynnika tarcia na podstawie pomiaru siły tarcia otrzymanej w wyniku ciągłego pomiaru przy ustalonym obciążeniu. Wyniki badań zostały porównane z właściwościami powłok natryskanymi plazmowo z konwencjonalnego proszku Al2O3-13TiO2. Powłoki nanostrukturalne wykazały niższy współczynnik tarcia w porównaniu z powłokami natryskanymi z proszku konwencjonalnego.

EN

Ceramic materials are widely used in various industrial applications on components exposed to high temperature, wear, and corrosive conditions. Nowadays, nanostructured materials are of particular scientific interest because of their physical and mechanical properties, which are superior to those of conventional materials. Plasma spraying is one of the surface engineering techniques for depositing of the coatings with wide variety of properties necessary for industrial use. The work is concerned with a study of the microstructure and tribological properties of plasma sprayed coatings with nanostructured and conventional Al2O3-13TiO2&ensp powders. The coatings were sprayed by means of a Plancer PN-120 plasma system. A T-01 ball on disc tribological tester was used to study their coefficient of friction on the basis of the friction force obtained in the course of continuous measurement at a set load. Results of investigations were compared with properties of the coatings sprayed with standard Al2O3-13TiO2. The nanostructured Al2O3-13TiO2 &enspcoating showed the lower coefficient of friction in comparison to the coatings sprayed from the conventional powder.

6

HVOF sprayed nanostructured composite coatings with a reduced friction coefficient

Żórawski W., Makrenek M., Góral A., Zimowski S.

Tribologia

|

2017

|

nr 4

139--147

EN

Nanostructured materials provide new possibilities, which enable creating composite structures with much better properties than composites obtained from conventional materials. Such a solution facilitates combining selected features of different nanomaterials in order to obtain a composite with the required durability, thermal, insulation, tribological, etc. properties. In the case of a composite containing a solid lubricant, it is comprised of a nanostructured matrix, providing mechanical durability, and an evenly distributed nanostructured solid lubricant. A study of the tribological properties of composite HVOF sprayed from nanostructured WC-12Co mixed with nanostructured Fe3O4, having the properties of the solid lubricant is presented. The coatings were sprayed by means of a Hybrid Diamond Jet system. A T-01 ball on disc tribological tester was used to determine the coefficient of friction on the basis of friction force obtained in the course of continuous measurement at a set load. The result of investigations was compared with properties of coatings sprayed with standard WC-12Co/ Fe3O4.

PL

Materiały nanostrukturalne stwarzają nowe możliwości, które pozwalają na tworzenie struktur kompozytowych o właściwościach znacznie lepszych niż te otrzymywane z materiałów konwencjonalnych. Takie rozwiązanie umożliwia łączenie wybranych właściwości różnych nanomateriałów w celu uzyskania kompozytu, który będzie posiadał wymagane właściwości wytrzymałościowe, tribologiczne, cieplne i inne. W przypadku kompozytów zawierających smar stały składają się one z nanostrukturalnej matrycy zapewniającej wytrzymałość mechaniczną i równomiernie rozłożonego nanostrukturalnego smaru stałego. W artykule przedstawiono badania właściwości tribologicznych płomieniowo natryskanego naddźwiękowo kompozytu będącego mieszaniną nanostrukturalnego proszku WC-12Co i nanostrukturalnego proszku Fe3O4 o właściwościach smaru stałego. Powłoki kompozytowe zostały natryskane z użyciem systemu do płomieniowego natryskiwania naddźwiękowego Hybrid Diamond Jet. Tester tribologiczny T-01 typu kulka-pierścień został użyty do zbadania współczynnika tarcia na podstawie pomiaru siły tarcia otrzymanej w wyniku ciągłego pomiaru przy ustalonym obciążeniu. Wyniki badań zostały porównane z właściwościami powłok płomieniowo natryskanymi naddźwiękowo z konwencjonalnych proszków WC-12Co/Fe3O4.

7

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

Zimowski S., Moskalewicz T., Wendler B.

Tribologia

|

2017

|

nr 4

125--131

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.

8

Self-lubricating properties of thin coatings based on molybdenum disulphide

Zimowski S.

Tribologia

|

2016

|

nr 3

205--215

EN

The paper presents an analysis of the friction and wear processes of a composite coating based on molybdenum disulphide doped by tungsten and titanium, taking into account the impact of load and temperature in the contact zone. The tribological tests were performed at room temperature and at 300°C and 350°C in non-lubricated sliding contact with an Al203 ball. The characterization of the micromechanical properties and the adhesion of coatings to steel substrates were done by scratch testing. The analysis of the coatings wear and the sliding tribolayer formation was conducted by the observation of the friction track using light microscopy (LM) and scanning electron microscopy (SEM). The low hardness of the MoS2(Ti,W) coating, equal to 6 GPa, with the predominantly amorphous structure, allows for quick formation of the tribological contact and the sliding tribolayer creation. Due to self-lubricating properties, the coating has a high wear resistance and a low friction coefficient (below 0.1), both at room and elevated temperatures. The study allowed the determination of the operating temperature limit of the coating-substrate system in sliding point contact, which helped to specify the application area of such material.

PL

W pracy przedstawiono analizę procesu tarcia i zużycia kompozytowej powłoki na bazie dwusiarczku molibdenu dotowanego wolframem i tytanem z uwzględnieniem wpływu obciążenia i temperatury w strefie styku. Badania tribologiczne przeprowadzono w temperaturze pokojowej oraz 300°C i 350°C w niesmarowanym styku ślizgowym z kulą Al203. Dokonano charakterystyki właściwości mikromechanicznych oraz zbadano adhezję powłok do stalowego podłoża metodą zarysowania. W analizie zużycia powłoki i procesu tworzenia ślizgowej tribowarstwy posłużono się wynikami obserwacji powierzchni tarcia przy użyciu mikroskopii świetlnej (LM) oraz elektronowej mikroskopii skaningowej (SEM). Nieduża twardość powłoki MoS2(Ti,W) wynosząca 6 GPa, której struktura jest głównie amorficzna, pozwala na szybkie dopasowanie styku tribologicznego i utworzenie ślizgowej tribowarstwy. Dzięki samosmarnym właściwościom powłoka charakteryzuje się dobrą odpornością na zużycie i bardzo niskim współczynnikiem tarcia (poniżej 0,1), zarówno w temperaturze pokojowej, jak i w temperaturze podwyższonej. Badania umożliwiły wyznaczenie granicznej temperatury pracy układu powłoka/podłoże w ślizgowym styku skoncentrowanym, co jest pomocne w określeniu obszaru aplikacyjnego materiału.

9

Polimerowe, ceramiczne i kompozytowe powłoki osadzane elektroforetycznie poprawiające wybrane właściwości materiałów metalowych

Moskalewicz T., Dubiel B., Sak A., Ratajski D., Jugowiec D., Ledwig P., Cieniek Ł., Kalemba-Rec I., Radziszewska A., Kopia A., Zimowski S., Kot M., Łukaszczyk A.

Hutnik, Wiadomości Hutnicze

|

2016

|

Vol. 83, nr 4

170--180

PL

W pracy przedstawiono przykłady wytwarzania różnych powłok polimerowych, ceramicznych i kompozytowych na modelowych materiałach metalowych metodą osadzania elektroforetycznego. W celu uzyskania dobrej jakości powłok dobrano optymalny skład chemiczny roztworów koloidalnych i zawiesin stosowanych do osadzania, wyznaczono ich pH i potencjał elektrokinetyczny dzeta. W oparciu o badania makroskopowe osadzonych powłok dobrano napięcie prądu i czas osadzania elektroforetycznego. Wykonano badania mikrostruktury powłok i ich wybranych właściwości, takich jak odporność na korozję, odporność na zużycie ścierne i wyznaczono współczynnik tarcia. Wykazano, że osadzanie elektroforetyczne jest perspektywiczną metodą wytwarzania powłok: polimerowych (chitozanu i polieteroeteroketonu (PEEK)), ceramicznych (SiO2), kompozytowych (szkło żelowe/chitozan, TiO2/chitozan, SiO2/HA i Ni/SiO2) oraz porowatych (szkło żelowe/PEEK).

EN

This work presents the examples of electrophoretic deposition of various polymer, ceramic and composite coatings on model metallic materials. To obtain good quality coatings, chemical composition of colloidal solutions and suspensions as well as their pH and Zeta potential were optimized. The voltage and deposition time were experimentally selected by macroscopic examination of as-deposited coatings. Investigation of the coatings comprised microstructural analysis as well as determination of their corrosion resistance, wear resistance and friction coefficient. It was demonstrated that electrophoretic deposition is a prospective method for obtaining various coatings: polymer chitosan and polyetheroetheroketone (PEEK), ceramic SiO2, composite gel glass/chitosan, TiO2/chitosan, SiO2/HA and Ni/SiO2 as well as porous sol-gel glass/PEEK coatings.

10

Tribologia powłok węglowych w podwyższonej temperaturze

Kot M., Zimowski S., Major Ł., Chronowska-Przywara K., Rakowski W.

Tribologia

|

2015

|

nr 3

55--64

PL

W pracy przedstawiono wyniki badań mechanicznych i tribologicznych powłok węglowych a-C, a-C:H i a-C:N. Właściwości tribologiczne takich powłok wciąż nie są dostatecznie rozpoznane, zwłaszcza w przypadku analiz prowadzonych w podwyższonych temperaturach. W ramach pracy analizowano właściwości mechaniczne – twardość i moduł sprężystości oraz właściwości tribologiczne – wskaźnik zużycia i współczynnik tarcia w temperaturze 20ºC i 300ºC. Najtwardszą z powłok okazała się powłoka a-C – 17 GPa, a najmiększą a-C:H – 7GPa. Testy tribologiczne w temperaturze pokojowej wykazały, że współczynnik tarcia jest najmniejszy dla powłoki a-C, a najwyższy dla a-C:N – odpowiednio m = 0,05 i 0,24. Najniższe wartość wskaźnika zużycia zmierzono także dla powłoki a-C. Natomiast w temperaturze 300ºC najlepszą okazała się powłoka uwodorniona a-C:H, dla której zużycie było tylko nieznacznie wyższe niż w temperaturze pokojowej, a współczynnik tarcia wynosił 0,04. Zużycie powłoki a-C:N jest 20-krotnie większe niż powłoki a-C:H, chociaż współczynnik tarcia w całym zakresie 20 000 cykli testu tribologicznego wynosił tylko 0,05. Natomiast powłoka a-C w warunkach przeprowadzanego testu została całkowicie zniszczona już po 7000 cykli.

EN

The paper presents the results of the mechanical and tribological coatings of carbon a-C, a-C:H and a-C:N coatings. The hardest coatings H = 17 GPa is a non-hydrogenated a-C coating, while the softest one is a-C:H - 7 GPa. Tribological tests performed at 20°C exhibited the lowest coefficient of friction 0.05 for the a-C coating. In a case of this coating, the lowest value of wear index was also measured. The hydrogenated and nitrogenated coatings have higher friction m = 0.14 and 0.24 respectively. However, the wear of these coatings was higher than for a-C, but it was still at low level comparing to typical ceramic coatings. In contrast, the hydrogenated a-C:H coating exhibited the best wear resistance at 300°C. The wear index was only 50% higher than at room temperature and the friction coefficient varied within the range of 0.03-0.05. The nitrogenated coating a-C:N has 20 times higher wear than the a-C:H coating, although the friction coefficient was only 0.05 over the whole test duration – 20000 cycles. The best coating (a-C) at in room temperature was the worst at elevated temperatures. This coating was completely destroyed after 7000 cycles.

11

Mikroudarowe pękanie zmęczeniowe powłok tribologicznych

Rakowski W., Adamczyk P., Zimowski S.

Tribologia

|

2015

|

nr 4

145--157

PL

W układach powłoka–podłoże pola naprężeń wywołane cyklicznymi mikroudarowymi obciążeniami powodują złożone skutki zarówno w materiale powłoki, jak i w połączeniu powłoki z podłożem (interfejs) oraz w materiale podłoża. Ich następstwem jest inicjacja i propagacja pęknięć zmęczeniowych prowadząca do ubytków materiału. Narzędziem do przybliżonej, teoretycznej analizy pól naprężeń w tych trzech ośrodkach jest zmodyfikowana teoria Hertza, wykorzystana do określenia głębokości zalegania punktu maksymalnej koncentracji naprężeń oraz promienia styku układu powłoka/podłoże w kontakcie z kulą. Wyznaczony analitycznie promień styku układu powłoka/podłoże w kontakcie z kulą został zweryfikowany eksperymentalnie. Dla celów projektowania oraz właściwej eksploatacji narzędzi i elementów maszyn z powłokami estymowano położenie zbioru punktów maksymalnej koncentracji naprężeń stykowych względem interfejsu. Przedstawiona analiza teoretyczna procesu zmęczenia układu powłoka/podłoże została zweryfikowana w badaniach eksperymentalnych.

EN

The stress field in the coating/substrate system causes combined effects on both the coating and substrate materials due to cyclic loads. The consequence is the initiation and propagation of fatigue cracks leading to a loss of materials. A theoretical means of the analysis of the stress field in these systems is the modified Hertz theory, which is used to determine the depth of the point of maximum stress concentration and the contact radius of coating/substrate system in contact with the ball. The analytically contact radius of the coating/substrate system in contact with a ball was determined and experimentally verified. For the purposes of design and the proper operation of tools and machine parts with coatings, the points of maximum contact stress concentration were estimated. The analysis of the theoretical fatigue process of coating/substrate systems was verified in the experimental research.

12

Effects of plasma-assisted CVD surface modification of the Crofer 22APU steel on its selected physicochemical properties

Januś M., Kluska S., Bobruk M., Brylewski T., Jastrzębski W., Zimowski S., Grzesik Z.

Ochrona przed Korozją

|

2015

|

nr 11

418--422

EN

The paper presents the modification of the surface of the Crofer 22APU ferritic stainless steel with SiCxNy(H) layer, and its influence on the applicability of the steel in intermediate-temperature solid oxide fuel cell (IT-SOFC) interconnects. The layer was obtained via plasma-assisted chemical vapor deposition (PACVD) with and without prior nitriding. To determine the impact of the surface modification on the steel’s resistance to high-temperature corrosion and the on its mechanical properties, the chemical composition, structure, and microstructure were investigated by means of FTIR, XRD, and SEM-EDS. Microhardness and Young’s modulus were also measured. It was demonstrated that the deposition of the SiCxNy(H) layer in plasmo-chemical conditions after prior nitriding of the surface of the Crofer 22APU is beneficial.

PL

Praca dotyczy modyfikacji powierzchniowej polegającej na naniesieniu warstwy SiCxNy(H) na stal ferrytyczną Crofer 22APU z przeznaczeniem na interkonektory do ogniw paliwowych typu IT-SOFC. Warstwę otrzymano przy użyciu techniki chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganej plazmowo (PACVD) bez uprzedniego azotowania oraz z wcześniejszym azotowaniem. W celu określenia wpływu modyfikacji powierzchniowej stali na poprawę odporności na korozję wysokotemperaturową oraz właściwości mechanicznych zostały przeprowadzone badania składu chemicznego, struktury i mikrostruktury przy użyciu FTIR, XRD i SEM-EDS a także pomiary mikrotwardości i modułu sprężystości. Wykazano, że korzystne jest otrzymanie warstwy SiCxNy(H) po uprzednim procesie azotowania powierzchni stali Crofer 22APU w warunkach plazmochemicznych.

13

Techniki badawcze w analizie właściwości mechanicznych i tribologicznych cienkich warstw i powłok

Chronowska-Przywara K., Kot M., Zimowski S.

Zeszyty Naukowe. Transport / Politechnika Śląska

|

2014

|

z. 83

39--49

PL

W artykule przedstawiono techniki badawcze pozwalające na analizę właściwości zarówno mechanicznych, jak i tribologicznych cienkich powłok nanoszonych na elementy maszyn pracujących niejednokrotnie w ciężkich warunkach. W Katedrze Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie studenci studiów magisterskich na kierunku mechanika i budowa maszyn w ramach fakultetu tribologia odbywają laboratoria, podczas których poznają między innymi nowe techniki badań cienkich powłok nanoszonych metodami PVD i CVD. Obejmują one analizę mikro-, nanotwardości oraz modułu Younga przy użyciu techniki instrumentalnej indentacji. Studenci wykonują także testy zarysowania, dzięki którym przeprowadzają pomiar adhezji cienkich powłok i warstw wierzchnich do podłoży. Właściwości tribologiczne układów powłoka-podłoże są badane różnymi technikami, głównie w styku skoncentrowanym kula-tarcza i rolka-klocek oraz środowisku silnie ściernym tarcza-kula.

EN

The article presents research techniques for the analysis of both mechanical and tribological properties of thin coatings applied on highly loaded machine elements. In the Institute of Machine Design and Exploitation, AGH University of Science and Technology students of the second level of Mechanical Engineering study tribology attending laboratory class. Students learn on techniques for mechanical and tribological testing of thin, hard coatings deposited by PVD and CVD technologies. The program of laboratories contains micro-, nanohardness and Young's modulus measurements by instrumental indentations and analysys of coating to substrate adhesion by scratch testing. The tribological properties of the coating-substrate systems are studied using various techniques, mainly in point contact load conditions with ball-on-disc and block-on-ring tribomiters as well as using ball cratering method in strongly abrasive suspensions.

14

Wpływ twardości i sprężystości podłoża na mikroudarowe zużycie zmęczeniowe powłoki

Rakowski W., Zimowski S., Adamczyk P.

Tribologia

|

2014

|

nr 5

147--158

PL

Badania mikroudarowej wytrzymałości powłok tribologicznych przeprowadzono w celu uzyskania wiedzy o pękaniu i odspajaniu fragmentów powłoki pod wpływem powtarzających się cyklicznie obciążeń o charakterze udarowym, w zależności od twardości i sprężystości podłoża. Niszczenie powłoki następuje pod wpływem kumulacji efektów zmęczeniowych w długich okresach mierzonych liczbą uderzeń przy założonej sile i energii kinetycznej uderzenia. Badano powłoki TiN o grubości 0,5 μm osadzone na stali ferrytycznej i austenitycznej. Twardość i sprężystość obu podłoży oraz układów powłoka–podłoże wyznaczono przy użyciu Micro-Combi-Testera firmy CSEM. Badania mikroudarowej wytrzymałości zmęczeniowej wykonano na stanowisku zaprojektowanym i zbudowanym w Laboratorium Tribologii i Inżynierii Powierzchni AGH. Stwierdzono istotny wpływ sprężystości podłoża oraz jego twardości na badane zjawiska.

EN

Micro-impact strength tests of tribological coatings were performed in order to obtain knowledge about cracking and decohesion of coatings under cyclically repeated impact loads, depending on the hardness and elasticity of the substrate. The destruction of the coating is caused by the accumulation of the effects over long periods of time, which are measured by the number of impacts at a set load and kinetic energy. TiN coatings with a thickness of 0.5 μm deposited on austenitic and ferritic steel were investigated. The hardness and elastic modulus of both substrates and coating-substrate systems were determined using a Micro-Combi-Tester from CSM Instruments. Micro-impact fatigue tests were carried out on an impact tester designed and built in the Laboratory of Tribology and Surface Engineering AGH University of Science and Technology. It was found that the elasticity and the hardness of the substrate significantly influence the impact fatigue process.

15

Wpływ twardości i modułu sprężystości powłok kompozytowych na ich odporność na zużycie

Zimowski S.

Tribologia

|

2014

|

nr 4

149--160

PL

W pracy przedstawiono analizę właściwości mikromechanicznych powłok kompozytowych w porównaniu z ich odpornością na zużycie przez tarcie. Badanymi materiałami były powłoki nanokompozytowe typu nc-TiC/a-C i MoS2(Ti,W) oraz powłoka wielowarstwowa CrN(Cr/CrN)x5 osadzone na utwardzonych podłożach metalicznych. Powłoki zostały tak dobrane, aby różnica w ich twardości była znacząca, nawet dwukrotna. Analizy dokonano w oparciu o wyniki testów indentacyjnych, badań odporności na zarysowanie oraz tribologicznych w ślizgowym styku z kulą Al2O3. Mechanizm zużycia analizowano na podstawie obserwacji bruzdy powstałej po tarciu oraz skazy kuli z użyciem mikroskopu optycznego i skaningowego mikroskopu elektronowego. Wykazano, że duża twardość powłoki nie zawsze gwarantuje jej dużą odporność na zużycie podczas tarcia w styku niesmarowanym. Znaczącym jest budowa i skład kompozytu, a zwłaszcza sztywność układu powłok/podłoże oraz właściwości ślizgowe powłoki.

EN

The analysis of the micromechanical properties of the composite coatings in comparison with their frictional wear resistance is presented. Nanocomposite nc-TiC/a-C and MoS2(Ti,W) coatings and CrN(Cr/CrN)5x multilayer coating deposited on hardened metal substrates were investigated. The hardness of CrN(Cr/CrN)5x coating was equal to 26 GPa and was more than two times greater than the hardness of nc-TiC/a-C and MoS2(Ti,W) coatings which were 7.6 GPa and 10.7 GPa, respectively. Analyses were based on the results of the indentation tests, scratch tests, and tribological properties obtained in sliding contact with the Al2O3 ball. The wear mechanism was determined by observations of the ball scars and grooves formed during friction using optical and SEM microscopy. It has been shown that the high hardness of the coating does not always guarantee a high wear resistance in a non-lubricated sliding contact. The structure of the composites, coating/substrate stiffness, and sliding properties are important in evaluating the wear resistance of the coatings.

16

Silicon carbonitride layers deposited on titanium and polyurethane by PACVD method

Konefał-Góral J., Małek A., Kluska S., Jastrzębski W., Zimowski S., Jonas S., Lis J.

Materials Science Poland

|

2013

|

Vol. 31, No. 3

476--483

EN

This work reports the results concerning formation and tribological properties of SiCxNy(H) layers deposited on Ti Grade 2 and polyurethane foil. Depending on the substrate, two variants of PACVD were used. The SiCxNy(H) layers on titanium were deposited with application of MWCVD (2.45 GHz, 2 kW). The layers on polyurethane were deposited using RFCVD (13.56 MHz, 400 W). Good adhesion between the SiCxNy(H) layers and polymeric foil was achieved by formation of a transitional C:N:H layer and incorporating Si gradient into the structure of the SiCxNy(H) layer. The chemical composition of the layers was tailored by precise control of the gaseous precursors ratios: [SiH4]/[NH3], [SIH4]/[NH3]/[CH4], [SiH4]/[CH4] or [SiH4]/[N2]/[CH4]. The structure and chemical composition of the obtained layers were subjected to further studies (FTIR, SEM/EDS). The roughness, friction coefficient and wear resistance were also measured. The results show that SiCxNy(H) layers offer attractive tribological properties which make them good candidates for various applications, including biomedical devices.

17

Tribological behaviour of AISI 316L steel after deposition of Ti-Si-C/Ti-B coatings by dual beam IBAD method

Twardowska A., Rajchel B., Szutkowska M., Zimowski S.

Inżynieria Materiałowa

|

2013

|

Vol. 34, nr 4

382--385

EN

In this work, the results of mechanical and tribological properties examinations of AISI 316L with bilayered Ti-Si-C/Ti-B coatings deposited by dual beam IBAD method are presented. Nanoindentation test was conducted on coated and uncoated steel substrates using Berkovich-type diamond indenter under the load of 5 mN and 10 mN. Hardness HIT and Young modulus E were calculated using Olivier and Pharr method [1]. Single-pass scratch-test in pin-on-disc conﬁguration and multipass, bidirectional friction-wear test in ball-on-disc conﬁguration were applied to reveal the deformation and wear of the coated samples under non-lubricated sliding conditions. Parameters of DB IBAD process allowed to fonn Ti-Si-C/Ti-B dense, flat (Ra 8 nm) and thin coatings. The thickness of the coating was 3001500 nm, the thickness of the single layer in Ti-Si-C/Ti-B coatings was 150+200 nm. Raman spectra of the coated substrates were recorded at room temperature with laser beam length of 532 nm, working in low and high resolution mode. Analysis of recorded spectra revealed that all deposited coatings were multiphase. There were the peaks in position characteristic for Ti3SiC2 and TiB2 indicating the presence of these phases. Friction coefﬁcient of deposited coating on steel substrates was low, in the range of 0. 12÷0.23. Coatings were well adherent to substrates: critical loads LC1 and LC2 were evaluated as 2 N and 7 N, respectively. The surfaces of coatings were examined in the area of produced indentations, scratch and wear tracks by light microscope and atomic force microscope.

PL

Przedstawiono wyniki badań właściwości mechanicznych i tribologicznych stali AISI 316L z powłoką Ti-Si-C/Ti-B nałożoną metodą dwuwiązkową IBAD. Na pokrytych i niepokrytych podłożach stalowych przeprowadzono testowi nanoindentacji przy użyciu diamentowego wgłębnika Berkovicha, pod obciążeniem 5 mN i 10 mN. Twardość HIT oraz moduł Younga E obliczono metodą Oliviera i Pharra [1]. Dla zbadania odkształcenia i zużycia w warunkach tarcia na sucho przeprowadzono próbę zarysowania powierzchni powłok (scratch-test) w układzie pin-on-disc oraz próbę zużycia w ruchu posuwisto-zwrotnym w konﬁguracji ball-on-disc. Parametry procesu dwuwiązkowego IBAD pozwoliły nałożyć gęste, gładkie (Ra 8 nm), cienkie powłoki typu Ti-Si-C/Ti-B. Grubość powłok wynosiła od 300 nm do 500 nm, grubość pojedynczej warstwy w powłoce - od 150 nm do 250 nm. Widma Ramana zarejestrowano z pokrytych podłoży w temperaturze pokojowej, stosując wiązkę światła laserowego o długości fali 532 nm, pracując w trybie niskiej i wysokiej rozdzielczości. Analiza zarejestrowanych widm wykazała, że wszystkie powłoki są wielofazowe. Występujące piki w pozycjach charakterystycznych dla Ti3SiC2 i TiB2 wskazały na obecność tych faz w powłokach. Współczynnik tarcia powierzchni stalowej z powłoką był niski: w zakresie 0,12÷0,23. Powłoki dobrze przylegały do podłoży: krytyczne obciążenie LC1 i LC2 wyniosły odpowiednio 2 N i 7 N. Powierzchnie powłok w obszarze pomiaru twardości, ścieżek zarysowania i zużycia zbadano przy użyciu mikroskopu świetlnego oraz mikroskopu sił atomowych.

18

Nanocomposite carbon-or MoS2-based selflubricating coatings for automotive, aviation and spacecraft industries

Wendler B., Moskalewicz T., Rudnik D., Zimowski S., Kot M., Grobelny M., Pawlak W., Rylski A., Czyrska-Filemonowicz A., Makówka M., Nolbrzak P., Włodarczyk K.

Composites Theory and Practice

|

2013

|

R. 13, nr 1

52-58

EN

Higher performance and reliability, reduced fuel and lubricant consumption as well as a greater solicitude to the earth's environment are nowadays the main driving forces of progress in contemporary automotive, aviation and spacecraft industries. Among the effective solutions of these issues are friction reduction in the powertrains of vehicles as well as mass reduction of engines by means of the replacement of steel parts of engines or other mechanisms by twice lighter ones made from titanium alloys. In the paper, basic information concerning the manufacturing of two types of thick carbon or MoS2-based friction reducing nanocomposite coatings is given and part of the characterization results concerning their microstructure, mechanical and tribological properties as well as the corrosion resistance of nanocomposite nc-WC/a-C and MoS2(Ti,W) coatings deposited by magnetron sputtering onto Vanadis 23 HS steel and hardened Ti6Al4V titanium alloy substrates are presented and discussed. The work was accomplished by an interdisciplinary team of researchers from AGH University of Science and Technology in Krakow, the Motor Transport Institute in Warsaw and of the Lodz University of Technology in the frame of the POIG project KomCerMet (Workpackage KCM3) financed by the Ministry of Science and Higher Education of Poland.

PL

Większa wydajność i niezawodność, niższe zużycie paliwa i smarów, a także większa troska o środowisko naturalne - to dzisiaj główne siły napędowe postępu technicznego w motoryzacji, lotnictwie i przemyśle kosmicznym. Do skutecznych sposobów rozwiązywania tych problemów należą: obniżanie strat energii wskutek tarcia w układach przenoszenia napędu, jak również obniżenie wagi konstrukcji poprzez zastąpienie stalowych elementów mechanizmów i silników dwukrotnie lżejszymi, wykonanymi ze stopów tytanu. W pracy zawarto podstawowe informacje dotyczące wytwarzania dwóch rodzajów grubych nanokompozytowych powłok niskotarciowych na osnowie amorficznego węgla bądź MoS2 osadzonych przez rozpylanie magnetronowe na podłożach ze stali Vanadis 23 i utwardzonego stopu tytanu Ti6Al4V oraz część wyników badań ich właściwości, w szczególności mikrostruktury, właściwości mechanicznych, tribologicznych oraz odporności na korozję, a także dyskusję tych wyników. Badania były wykonane w ramach projektu KomCerMet (pakiet KCM3) przez interdyscyplinarny zespół badawczy złożony z pracowników Akademii Górniczo-Hutniczej, Instytutu Transportu Samochodowego oraz Politechniki Łódzkiej w ramach Programu Operacyjnego POIG, finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

19

Wysokotemperaturowe własności tribologiczne stopów Fe-Al

Śleboda T., Krawczyk J., Zimowski S., Kot M.

Tribologia

|

2012

|

nr 3

209-215

PL

W niniejszej pracy poddano dyskusji wysokotemperaturowe własności tribologiczne stopów Fe-Al. Jako materiał wyjściowy do badań zastosowano stop FeAl w formie odlewu oraz otrzymany z proszku stopu. Analizie został poddany wpływ rodzaju stopu na jego własności tribologiczne. Badania tribologiczne wykonano w temperaturze 700C w układzie trzpień-tarcza. Określono wielkość zużycia oraz współczynnik tarcia. Dyskusji poddano różnice w mechanizmach zużycia tribologicznego badanych materiałów.

EN

This research was focused on high temperature tribological properties of Fe-Al alloys. Powder and cast FeAl alloy was used in this study. The influence of the alloy morphology on its tribological properties is discussed. Tribological tests were performed at 700C. Wear and friction coefficients of the investigated materials were analysed. The differences in the mechanisms of the wear of the investigated alloys are also presented.

20

Analiza deformacji falowych cienkich powłok w ślizgowym styku skoncentrowanym

Zimowski S., Rakowski W.

Tribologia

|

2012

|

nr 5

243--250

PL

W pracy przedstawiono analizę falowego charakteru deformacji toru tarcia w styku skoncentrowanym. Przedmiotem badań była kompozytowa powłoka niklowo-molibdenowa wzmocniona cząstkami tlenku glinu (Ni-Mo/Al₂O₃) o grubości ok. 5,6 µm, którą osadzono metodą elektrochemiczną na stalowym podłożu. Właściwości tribologiczne powłoki wyznaczono z użyciem tribotestera typu kula–tarcza w styku niesmarowanym z kulką Al₂O₃ o średnicy 1 mm. Współczynnik tarcia wynosił ok. 0,2, a po zniszczeniu powłoki gwałtownie zwiększał się, aż do wartości około 0,8. Powłoka ma dobrą adhezję do podłoża, a jej niszczenie w teście zarysowania polegało na pękaniu o charakterze kohezyjnym przy obciążeniu ok. 21 N. Twardość powłoki równą 6,9 GPa i moduł Younga 183 GPa wyznaczono metodą instrumentalną. W celu wnioskowania o zjawiskach zachodzących w mikroobszarach styku zmierzono geometrię bruzdy profilometrem stykowym oraz przeprowadzono analizę mikrostruktury jej powierzchni, stosując różne techniki. W oparciu o mechanikę kontaktu przedstawiono próbę interpretacji mechanizmu tworzenia charakterystycznego, cyklicznie powtarzającego się wzoru stereometrycznego, powstałego w bruździe. Potwierdzono wpływ parametrów kinematycznych testu tribologicznego na zjawisko falowego odkształcania warstw przypowierzchniowych oraz ostateczną formę deformacji, cyklicznie powtarzających się zagłębień w kształcie połowy kropli.

EN

This paper presents an analysis of the wave deformation nature of the friction track in a sliding point contact. The object of this study was a composite nickel-molybdenum coating reinforced by the particles of aluminium oxide (Ni-Mo/Al₂O₃) with a thickness of about 5.6 µm, which was deposited by an electrochemical method on a steel substrate. Tribological properties of the coatings were determined in a nonlubricated contact with an alumina ball of 1 mm diameter. The coating has good adhesion to the substrate, and its destruction in the scratch test consisted of a cohesive cracking at a load of about 21 N. The hardness of the coating equalled 6.9 GPa, and a Young's modulus of 183 GPa was determined by instrumental method. In order to explain the phenomena occurring in the microareas of the contact, the groove geometry was measured using a profilometer, and the microstructure analysis of its surface was performed using different techniques. Based on the contact mechanics, an attempt to interpret the formation mechanism of the characteristic, cyclically repeating, stereometric shape formed in a groove was performed. The impact of kinematic parameters of tribological tests on the phenomenon of wave deformation of subsurface layers as well as the final form of the deformation (the cyclically recurring pits with the shape of half a drop) was confirmed.