ارزیابی چسبندگی و بارپذیری پوشش نانوساختار CrN-CrAlN به‌روش رسوب فیزیکی بخار

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان

2 دانشگاه صنعتی اصفهان

چکیده

پوشش­های نیتریدی با سختی و مقاومت سایشی عالی به ­وسیله رسوب فیزیکی بخار (PVD) تولید می­شوند و در سال­های اخیر بسیار توسعه یافته ­اند. با توجه به نوع کاربرد این پوشش ­ها، موضوع بارپذیری و چسبندگی اهمیت فراوانی می­یابد و می­تواند تعیین­ کننده عمر و عملکرد قطعه نهایی باشد. در این تحقیق پوشش­های نانوساختار CrN/CrAlN با ضخامت و تعداد لایه متفاوت، به‌روش قوس کاتدی روی فولاد زنگ‌نزن 420 و فولاد ابزار گرمکار رسوب­گذاری شدند. به‌منظور آنالیز ساختاری و مشخصه ­یابی پوشش ­ها از آزمون‌های نانوسختی‌‎سنجی، پراش پرتو ایکس و میکروآنالیز طیف‌سنج انرژی استفاده شد و چسبندگی پوشش­ ها به‌کمک آزمون‌ چسبندگی خراش و راکول VDI3198 ارزیابی شد. نتایج نشان داد پوشش ­های رسوب فیزیکی بخار تنش­ های پسماند فشاری بالایی، از حدود 500 تا 1800 مگاپاسکال را تجربه می­ کنند که تأثیر تعیین کننده­ای بر چسبندگی آنها دارد. بارپذیری پوشش به ضخامت و چسبندگی بستگی دارد و در یک ضخامت بهینه به بیشینه می­ رسد. بررسی­ ها نشان داد نوع زیرلایه نیز تأثیر بسزایی بر چسبندگی پوشش دارد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigation of Adhesion and the Load Bearing of CrN-CrAlN Nanostructured Coating by Physical Vapor Deposition

نویسندگان [English]

  • M. Falsafein 1
  • F. Ashrafizadeh 2
1 Department of Materials Science and Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran.
2 Department of Materials Science and Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran.
چکیده [English]

Nitride coatings with excellent hardness and wear resistance have been deposited by physical vapor deposition (PVD) in recent years. For most applications, the load bearing and adhesion of coatings are very important and can determine the life and performance of the final components. In this study, CrN/CrAlN nanostructured coatings with different thicknesses and numberes of layers were deposited on the stainless steel AISI 420 and hot-work tool steel by cathodic arc evaporation. Nanoindentation, X-ray diffraction (XRD) and energy dispersive spectroscopy (EDS) were used for the structural characterization and estimation of stress in the coatings. Adhesion of coatings was evaluated by scratch adhesion and VDI 3198 Rockwell tests. The results revealed the high values of compressive residual stress in the physical vapor deposited coatings, in the range of  500 to 1800 MPa, with a detrimental effect on coating adhesion. Load bearing capacity was observed to be dependent on the thickness and adhesion of coating, reaching the maximum at an optimum thickness. Overall, the results proved that the type of steel substrate could have a significant influence on the coating adhesion.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Adhesion
  • CrAlN coating
  • Load bearing
  • physical vapor deposition

مراجع

1. Gilewicz, A., and Warcholinski, B., “Tribological Properties of CrCN/CrN Multilayer Coatings”, Tribology International, Vol. 80, pp. 34-40, 2014.
2. Cavaleiro, A., and Jeff, T. H., Nanostructured Coatings, 2d ed, National Research Council of Canada, 2006.
3. Mittal, K. L., “Adhesion Measurement of Thin Films”, ElectroComponent Science and Technology, Vol. 3, pp. 21-24, 1976.
4. Vidakis, N., Antoniadis, A., and Bilalis, N., “The VDI 3198 Indentation Test Evaluation of a Reliable Qualitative Control for Layered Compounds”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 143-144, pp. 481-485, 2003.
5. Ashrafizadeh, F., “Adhesion Evaluation of PVD Coatings to Aluminium Substrate”, Surface and Coating Technology, Vol. 130, pp. 186-194, 2000.
6. Jones, A. M., and McCabe, A. R., “The Effects of Deposition Temperature and Interlayer Thickness on the Adhesion of Ion-assisted Titanium Nitride Films Produced with Yttrium Metal Interlayers”, Nuclear Instruments and Methods in Physics, Vol. 80-81, pp. 1397-1401, 1993.
7. Lukaszkowicz, K., and Kriz, A., “Structure and Adhesion of Thin Coatings Deposited by PVD Technology on the X6CrNiMoTi17-12-2 and X40CrMoV5-1 Steel Substrates”, International Scientifi, Vol. 51, pp. 40-47, 2011.
8. Gerth, J., and Wiklund, U., “The Influence of Metallic Interlayers on the Adhesion of PVD TiN Coatings on High-speed Steel”, Wear, Vol. 264, pp. 885-892, 2008.
10. Chang, C. L., and Wang, D. Y., “Microstructure and Adhesion Characteristics of Diamond-like Carbon Films Deposited on Steel Substrates”, Diamond and Related Materials, Vol. 10, pp. 1528-1534, 2001.
11. Hovsepian, P. E., and Reinhard, C., “CrAlYN/CrN Superlattice Coatings Deposited by the Combined High Power Impulse Magnetron Sputtering/unbalanced Magnetron Sputtering Technique”, Surface Coating Technology, Vol. 201, pp. 4105-4110, 2006.
12. Bushroa, A. R., Rahbari, R. G., and Muhamad, M. R., “Approximation of Crystallite Size and Microstrain via XRD Line Broadening Analysis in TiSiN Thin Films”, Vacuum, Vol. 86, pp. 1107-1112, 2012.
13. Wang, Q., Zhou, F., and Yan, J., “Evaluating Mechanical Properties and Crack Resistance of CrN, CrTiN, CrAlN and CrTiAlN Coatings by Nanoindentation and Scratch Tests”, Surface and Coatings Technology, Vol. 285, pp. 203-213, 2016.
14. Sanche´z, J. E., and Sanche´z, O. M., “Mechanical, Tribological, and Electrochemical Behavior of Cr1_xAlxN Coatings Deposited by r.f. Reactive Magnetron co-sputtering Method”, Applied Surface Science, Vol. 256, pp. 2380-2387, 2010.
15. Wang, L., and Zhang, S., “Influence of Deposition Parameters on Hard Cr-Al-N Coatings Deposited by Multi-arc Ion Plating”, Applied Surface Science, Vol. 258, pp. 3629-3636, 2012.
16. Heinke, W., and Leyland, A., “Evaluation of PVD Nitride Coatings, using Impact, Scratch and Rockwell-C adhesion Test”, Thin Solid Films, Vol. 270, pp. 431-438, 1995.
17. Hollsteina, F., and Wiedemann, R., “Characteristics of PVD-coatings on AZ31hp Magnesium Alloys”, Surface and Coatings Technology, Vol. 162, pp. 261-268, 2003.
مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 37، شماره 2
شهریور 1397
صفحه 81-93

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

ارتقاء امنیت وب با وف ایرانی