Skip to main content
SUPERVISOR
Mahmood Monir-vaghefi,Fakhreddin Ashrafizadeh
سیدمحمود منیرواقفی (استاد مشاور) سیدفخرالدین اشرفی زاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Behnaz Abdali varnosfaderani
بهناز ابدالی ورنوسفادرانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389

TITLE

Evaluation of the Effect of TiAlN Coatings on the Performance of Hot Work Steel and the Role of Heat Treatment
TiAlN coatings on cutting tools have good wear and oxidation behavior especially at high speed machining and, in this field, many papers have been published, but there is little research about behavior of these coatings on dies at high temperature conditions. In this research, frictional behavior of (Ti 1-X Al X )N coatings deposited on H13 hot work steel were evaluated at hot working temperatures and influence of annealing process on tribological properties were studied. The coatings were characterized using x-ray diffraction, optical and scanning electron microscopy, energy-dispersive spectroscopy and microhardness indentation. Tribological behavior of coatings was investigated using the pin-on-disc tester under the condition of 3 N load, linear velocity of 0.1 m/s and temperatures of 25 and 600 ?C. To study the oxidation behavior of coatings, weight changes of the samples were continuously monitored in oxidation furnace until 700 ?C. The results indicated that hardness increased and surface roughness and friction coefficient decreased as the aluminum concentration was increased. The results of oxidation tests indicated that TiN under thermal cycle had weight gain while TiAlN coatings showed no weight change up to 700 ?C. Presence of aluminum and formation of thin and compact Al 2 O 3 layer on TiAlN coating was found the reason for this. Among the coatings studied in this research, TiAlN coating produced with 70%Al-30%Ti target composition had the best behavior at room temperature because of high microhardness, low friction coefficient and low wear at room temperature. Based on the experimental results, TiAlN produced with 40%Al-60%Ti target composition was the best coating for dies because of low roughness, low friction coefficient and low wear at 600?C and oxidation resistance up to 700 ?C. Annealing process was studied on a number of the coated samples; heat treated under vacuum at 1000 ?C. Annealing caused oxidation of TiN coating and oxygen diffusion in TiAlN coatings and formation of TiAlON solid solution; this phase act as a solid lubricant and decreased the friction coefficient of TiAlN coatings at room temperature to values about 0.14. It was concluded that annealing cycle is a useful process to reduce improve frictional behavior of TiAlN coatings at room temperature. Key Words: Hot Work Steel, TiAlN coatings, Friction coefficient, Oxidation resistance, Annealing.
پوشش های TiAlN بر ابزار برش رفتار سایشی و اکسیداسیونی بسیار خوبی بخصوص در سرعت های بالای ماشینکاری دارد و تحقیقات گسترده ای در این زمینه انتشار یافته است، ولی تاکنون رفتار این پوشش ها روی قالب ها در شرایط کاری دمای بالا کمتر مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهش رفتار اصطکاکی پوشش های TiAlN روی قالب از جنس فولاد گرم کار H13 در شرایط کاری قالب و تأثیر عملیات آنیل بر رفتار پوشش ها مورد ارزیابی قرار گرفت. به این منظور پوشش های TiAlN با درصد های مختلف آلومینیوم بر فولاد H13 به روش رسوب فیزیکی بخار (PVD) اعمال شد. بررسی خواص پوشش ها توسط پراش پرتو ایکس، میکروسکوپ نوری، میکروسکوپ الکترونی روبشی و میکرو آنالیز و میکرو سختی و زبری سنج صورت گرفت. رفتار تریبولوژیکی پوشش ها قبل و بعد از فرایند آنیل، توسط دستگاه پین روی دیسک تحت بار 3 نیوتن و سرعت 1/0 متر بر ثانیه در دماهای محیط و 600 درجه سانتی گراد ارزیابی شد. جهت بررسی مقاومت اکسیداسیون پوشش ها، تغییرات وزن هر یک از نمونه ها در حین گرمایش در کوره اکسایش تا دمای 700 درجه سانتی گراد به صورت لحظه ای بررسی شد. یافته های پژوهش نشان داد که اعمال پوشش های نیترید تیتانیم آلومینیوم روی زیر لایه فولاد گرمکار H13 موجب بهبود رفتار اصطکاکی در دمای محیط و 600 درجه سانتی گراد شد. میزان آلومینیوم موجود در پوشش تأثیر بسزایی در خواص پوشش داشته به طوری که افزایش درصد آلومینیوم موجب افزایش سختی، کاهش زبری سطح و کاهش ضریب اصطکاک پوشش گشت. یافته های حاصل از آزمون اکسایش نشان داد که پوشش TiN بر اثر اعمال سیکل حرارتی اضافه وزن داشته در حالیکه پوشش های TiAlN تا دمای 700 درجه سانتی گراد اضافه وزنی نداشته و در برابر اکسیداسیون مقاوم بودند. علت این امر را می توان حضور آلومینیوم و ایجاد لایه نازک و فشرده Al 2 O 3 بر پوشش های TiAlN دانست. از بین پوشش های مورد بررسی در این پژوهش، پوشش TiAlN با ترکیب تارگت Ti30%-Al70% به دلیل سختی بالا، ضریب اصطکاک پایین و کاهش وزن کم در حین سایش در دمای محیط، بهترین رفتار را در دمای محیط داشته است. پوشش TiAlN نیز با ترکیب تارگت Ti60%-Al40% به دلیل زبری کم و ضریب اصطکاک و کاهش وزن کم در حین سایش در دمای 600 درجه سانتی گراد و مقاومت اکسیداسیونی تا دمای 700 درجه سانتی گراد، بهترین پوشش برای استفاده در قالب های گرمکار به شمار می آید. جهت بررسی تأثیر آنیل بر خواص پوشش ها نیمی از نمونه های پوشش داده شده تحت خلاء 5- 10 تور و دمای 1000 درجه سانتی گراد عملیات حرارتی شدند. آنیل کردن پوشش ها موجب اکسید شدن پوشش TiN و نفوذ اکسیژن به داخل شبکه پوشش و تشکیل محلول جامد TiAlON گردید. این فاز همانند روانکار جامد عمل کرده و موجب کاهش شدید ضریب اصطکاک پوشش های TiAlN در دمای محیط تا مقادیر حدود 14/0 شد. بنابراین می توان گفت آنیل پوشش های TiAlN در دمای 1000 درجه سانتی گراد، فرایندی مناسب جهت کاهش ضریب اصطکاک این پوشش ها در دمای محیط است. کلمات کلیدی: فولاد گرمکار، پوشش های TiAlN، ضریب اصطکاک، اکسیداسیون، آنیل، روانکار جامد

ارتقاء امنیت وب با وف بومی