Friction free, hard and super hard carbon-based coating for industrial application

• Autorzy: Precht, W. , Jurczak, W.

Warianty tytułu

PL

Beztarciowe, twarde i super twarde pokrycia na bazie węgla do przemysłowych zastosowań

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper are the result of the investigation of the properties and structure of friction free nanocomposite X-C:H films especially Ti-C:H, W-C:H and Si-C:H, maid by pulse magnetron sputtering method. Structure, mechanical, mainy tribological properties of coatings, depend on relationship between crystalline X and amorphous phases a-C:H were investigated. The results show that using TEM, HREM, electron selected diffraction and Raman spectroscopy, the coatings of type Ti-C:H and W-C:H with Ti over 49 at. % and W over 59 at. % have nanocrystalline structure. The coating with Ti lower than 49 at. % and W lower 52 at. % show nanocomposite structure of hard carbide crystals in the amorphous carbide matrix. The Si-C:H layer in the whole range of Si content are amorphous. nc-TiC/a-C:H films included ca 42 at. % Ti show the highest hardness of 42 GPa. Films of metal content lower than 6 at. % show the lowest friction coefficient f= 0.02+0.06 due to low wear coefficient by good adhesion. The coated in our laboratory bearings are tested in bearing factory under very high load and after 400 h shows no wear. The uncoated once was 20 min totally destroyed. The hard nanocomposite nc-XC/a-C:H can be used for anti-wear and friction free coatings of dry machining tools and machine parts like bearings in the cases When lubrication is forbidden (e.g. food industry) or not possible (e.g. aerospace) and UHV attachment like spectrometers.

PL

W artykule przedstawiono wyniki prac badawczych oraz koncepcje dotyczące cienkich warstw kompozytowych typu X-C:H, a W szczególności Ti-C:H, W-C:H i Si-C:H, wytwarzanych metodą impulsowego reaktywnego rozpylania magnetronowego. Strukturę, mechaniczne, zwłaszcza tribologiczne, właściwości osadzanych warstw badano w zależności od zawartości krystalicznej fazy X do amorficznej fazy osnowy a-C:H. Wyniki badań uzyskanych za pomocą metod TEM, HREM, selektywnej dyfrakcji elektronów i spektroskopii Ramana wykazały, że warstwy typu Ti-C:H i W-C:H z zawartością Ti powyżej 49% at. i wolframu powyżej 59% at. wykazały nanokrystaliczną strukturę, zaś te z zawartością poniżej 41% at. i wolframu 52% at. prezentowały kompozytową strukturę, tj. twardą fazę węglikową w osnowie amorficznego węgla. Warstwy Si-C:H W całym zakresie zawartości Si miały charakter amorficzny. Dużą twardość HV > 41 GPa stwierdzono zwłaszcza w przypadku warstwy nc-Ti-C:H/a-C:H, przy zawartości Ti około 42% at. Współczynniki tarcia i zużycia badanych powłok obniżały się wraz ze zmniejszeniem zawartości Ti, W i Si. Jeśli koncentracja pierwiastka X zmniejszała się do poziomu 6% at. to współczynnik tarcia f wynosił 0,0210,06. Natomiast współczynnik zużycia osiągnął wartość poniżej 10-7 mm3N-1m-1. Adhezja warstw do podłoża była dobra i wynosiła ponad 40 N. Pokryte otrzymywanymi warstwami łożyska kulkowe były poddawane próbie eksploatacyjnej bez smarowania pod dużym obciążeniem w fabryce łożysk. Po 400 h prób łożyska nie wykazywały śladów zużycia. Natomiast łożyska nie pokryte w próbie bez smarowania uległy zatarciu już po 20 min. Wytworzone przez autorów warstwy nanokompozytowe można zastosować do pokrywania narzędzi do obróbki skrawaniem bez smarowania lub części maszyn, dla których smarowanie jest niedopuszczalne (przemysł spożywczy) lub wręcz niemożliwe w przypadku urządzeń do zastosowań w przemyśle lub aparaturze UHV, np. spektrometrach.

Słowa kluczowe

PL

beztarciowe warstwy kompozytowe X-C:H; pokrywania warstw PVD

EN

friction free coatings of X-C:H type; technology of PVD coatings

• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 4
• Strony: 354--357
• Opis fizyczny: Bibliogr. 5 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Precht, W.

• Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska,

autor

Jurczak, W.

• Akademia Marynarki Wojennej Gdynia

Bibliografia

• [1] Leyland A., Matthews A.: On the singnificance of the H/E ratio in wear control: a nanocomposite coating approach to optimised tribological behaviour. Wear 246 (2000) 1÷11.
• [2] Donnet C., Erdemir A.: Historical developments and trends in tribological and solid lubricant coatings. Surf. Coat. Technol. (2004) 180÷181 76÷84.
• [3] Mitterer C. and Mayrhofer P. H.: Desing of nanostructured hard coating for optimum performance. Key Eng. Mater. 264-268 (2004) 453÷458.
• [4] Precht W., Czyżniewski A.: Deposition and some properties of carbide/amorphous carbon nanocomposites for tribological application. Surf. Coat. Technol. 174-175 (2003) 979÷983.
• [5] Hovsepian P. Eh., Kok Y. N., Ehiasarin A. P., Erdemir A., Wen, J. G., Petrov I.: Structure and tribological behaviour of nanoscale multilayer C/Cr coatings deposited by the combined steered cathodic arc/unbalanced magnetron sputtering technique, Thin Solid Films 447-448 (2004) 7÷13.