Skip to main content
SUPERVISOR
Mahmood Monir-vaghefi,Fakhreddin Ashrafizadeh
سيدمحمود منيرواقفي (استاد مشاور) سيدفخرالدين اشرفي زاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Behnaz Abdali varnosfaderani
بهناز ابدالي ورنوسفادراني

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.
چکيده پوشش هاي TiAlN بر ابزار برش رفتار سايشي و اکسيداسيوني بسيار خوبي بخصوص در سرعت هاي بالاي ماشينکاري دارد و تحقيقات گسترده اي در اين زمينه انتشار يافته است، ولي تاکنون رفتار اين پوشش ها روي قالب ها در شرايط کاري دماي بالا کمتر مورد توجه قرار گرفته است. در اين پژوهش رفتار اصطکاکي پوشش هاي TiAlN روي قالب از جنس فولاد گرم کار H13 در شرايط کاري قالب و تأثير عمليات آنيل بر رفتار پوشش ها مورد ارزيابي قرار گرفت. به اين منظور پوشش هاي TiAlN با درصد هاي مختلف آلومينيوم بر فولاد H13 به روش رسوب فيزيکي بخار (PVD) اعمال شد. بررسي خواص پوشش ها توسط پراش پرتو ايکس، ميکروسکوپ نوري، ميکروسکوپ الکتروني روبشي و ميکرو آناليز و ميکرو سختي و زبري سنج صورت گرفت. رفتار تريبولوژيکي پوشش ها قبل و بعد از فرايند آنيل، توسط دستگاه پين روي ديسک تحت بار 3 نيوتن و سرعت 1/0 متر بر ثانيه در دماهاي محيط و 600 درجه سانتي گراد ارزيابي شد. جهت بررسي مقاومت اکسيداسيون پوشش ها، تغييرات وزن هر يک از نمونه ها در حين گرمايش در کوره اکسايش تا دماي 700 درجه سانتي گراد به صورت لحظه اي بررسي شد. يافته هاي پژوهش نشان داد که اعمال پوشش هاي نيتريد تيتانيم آلومينيوم روي زير لايه فولاد گرمکار H13 موجب بهبود رفتار اصطکاکي در دماي محيط و 600 درجه سانتي گراد شد. ميزان آلومينيوم موجود در پوشش تأثير بسزايي در خواص پوشش داشته به طوري که افزايش درصد آلومينيوم موجب افزايش سختي، کاهش زبري سطح و کاهش ضريب اصطکاک پوشش گشت. يافته هاي حاصل از آزمون اکسايش نشان داد که پوشش TiN بر اثر اعمال سيکل حرارتي اضافه وزن داشته در حاليکه پوشش هاي TiAlN تا دماي 700 درجه سانتي گراد اضافه وزني نداشته و در برابر اکسيداسيون مقاوم بودند. علت اين امر را مي توان حضور آلومينيوم و ايجاد لايه نازک و فشرده Al 2 O 3 بر پوشش هاي TiAlN دانست. از بين پوشش هاي مورد بررسي در اين پژوهش، پوشش TiAlN با ترکيب تارگت Ti30%-Al70% به دليل سختي بالا، ضريب اصطکاک پايين و کاهش وزن کم در حين سايش در دماي محيط، بهترين رفتار را در دماي محيط داشته است. پوشش TiAlN نيز با ترکيب تارگت Ti60%-Al40% به دليل زبري کم و ضريب اصطکاک و کاهش وزن کم در حين سايش در دماي 600 درجه سانتي گراد و مقاومت اکسيداسيوني تا دماي 700 درجه سانتي گراد، بهترين پوشش براي استفاده در قالب هاي گرمکار به شمار مي آيد. جهت بررسي تأثير آنيل بر خواص پوشش ها نيمي از نمونه هاي پوشش داده شده تحت خلاء 5- 10 تور و دماي 1000 درجه سانتي گراد عمليات حرارتي شدند. آنيل کردن پوشش ها موجب اکسيد شدن پوشش TiN و نفوذ اکسيژن به داخل شبکه پوشش و تشکيل محلول جامد TiAlON گرديد. اين فاز همانند روانکار جامد عمل کرده و موجب کاهش شديد ضريب اصطکاک پوشش هاي TiAlN در دماي محيط تا مقادير حدود 14/0 شد. بنابراين مي توان گفت آنيل پوشش هاي TiAlN در دماي 1000 درجه سانتي گراد، فرايندي مناسب جهت کاهش ضريب اصطکاک اين پوشش ها در دماي محيط است. کلمات کليدي: فولاد گرمکار، پوشش هاي TiAlN، ضريب اصطکاک، اکسيداسيون، آنيل، روانکار جامد

ارتقاء امنیت وب با وف بومی