Skip to main content
SUPERVISOR
Ali Shafyei
علی شفیعی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Amirreza Naghashzadeh
امیررضا نقاش زاده

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392

TITLE

Investigation the tribological properties of TiN-TiCN-TiAlN multilayer coatings on AISI D3 tool steel by Physical vapor deposition technique
Nowadays, most industrial tools and components are improved by means of various surface engineering operations such as Physical Vapor Deposition (PVD). In the recent years, applying multilayer nitride coatings have been developed among industrial applications such as cutting tools and forging mold and casting. In the current research, four multilayer TiN-TiCN-TiAlN coatings deposited on the surface of D3 tool steel by a cathodic arc vaporization system. Scanning Electron Microscopy (SEM) equipped with Energy Dispersive Spectroscopy (EDS) and Atomic Force Microscopy (AFM) were used to characterize the coatings. X-ray Diffraction technique was also used for phase identification. Evaluation of mechanical properties of the coatings was done using Nano-indentation test under 30 mN load. In order to investigate wear behavior of the applied coatings, ball-on-disk test with alumina balls under 5, 10, and 15 N loads within 1000 m distance was used. To identify dominant wear mechanism, wear path was analyzed by SEM and EDS. To investigate oxidation behavior and thermal stability of the coatings, heat treatment of the specimens in 400, 600, 800, and 1000 °C for 1 hour in a resistant furnace was performed. The obtained results show that existence of TiAlN increased surface roughness compared with TiN. According to Nano-indentation test results, coatings have hardness value of 2700 to 3400 HV. Four coatings also showed good resistance to plastic deformation. Results of the wear test showed that applying Ti-based coatings reduces friction coefficient. In addition, increasing applied load decreases both friction coefficient and weight loss of the specimens. The TiN-TiCN-TiN/TiAlN/TiN-TiCN-TiN coating exhibit the least friction coefficient (about 0.4) and wear rate in the average 10 N load. Furthermore, the wear rate of the substrate was 4 times greater than the mentioned sample. Abrasive wear and oxidation are the most dominant mechanisms of these coatings. Existence of TiAlN top layer increased oxidation resistance in the coatings and their working temperature. Keywords: Physical Vapor Deposition (PVD), multilayer coatings, Tribology, Wear, Oxidation
امروزه به ‌منظور افزایش طول عمر و میزان کاربری، اکثر ابزارها و قطعات صنعتی تحت عملیات سطحی مختلفی قرار می‌گیرند که از جمله این فرایندها، ایجاد پوشش‌های لایه نازک به روش رسوب فیزیکی بخار است. در سال?های اخیر استفاده از پوشش‌های چندلایه نیتریدی در کاربرد‌های مختلف صنعتی نظیر ابزار برشی و قالب‌های شکل‌دهی و ریخته‌گری گسترش یافته است. در این پژوهش، چهار پوشش چندلایه با ترتیب لایه?های مختلف با استفاده از ترکیبات TiN-TiCN-TiAlN بر روی فولاد ابزار D3 به روش تبخیر قوس کاتدی اعمال شد. به منظور مشخصه?یابی پوشش?های چندلایه اعمالی و تعیین ضخامت آن?ها از میکروسکوپ? الکترونی روبشی مجهز به آنالیز تفکیک انرژی و میکروسکوپ نیروی اتمی استفاده شد. همچنین آنالیز فازی پوشش?ها توسط آزمون پراش پرتو ایکس انجام شد. ارزیابی خواص مکانیکی پوشش?ها با استفاده از آزمون نانو فرورونده تحت بار نهایی mN 30 و با استاندارد فرورونده برکوویچ صورت گرفت. به منظور بررسی رفتار سایشی پوشش?های ایجاد شده، از آزمون گلوله بر روی دیسک با استفاده از گلوله‌هایی از جنس آلومینا و تحت بارهای 5، 10 و 15 نیوتن و طی مسافت 1000 متر استفاده گردید. در ادامه جهت تعیین مکانیزم?های حاکم بر سایش، مسیر سایش نمونه?ها به وسیله میکروسکوپ الکترونی روبشی و آنالیز تفکیک انرژی بررسی شد. به منظور بررسی رفتار اکسایشی و پایداری حرارتی این پوشش?ها، عملیات حرارتی در دماهای 400، 600، 800 و 1000 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت در کوره مقاومتی بر روی پوشش?ها صورت گرفت. سپس تصاویر میکروسکوپی نوری و الکترونی روبشی و همچنین آنالیزهای XRD و EDS سطح پوشش?ها پس از عملیات حرارتی، مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بدست آمده حاکی از آن است که در پوشش?های چندلایه حضور TiAlN در لایه سطحی در مقایسه با حضور TiN منجر به افزایش زبری سطح گردیده است. با توجه به نتایج آزمون نانو فرورونده، سختی این پوشش?ها در محدوده 2700 تا 3400 ویکرز می?باشد و هر چهار پوشش مقاومت خوبی در برابر تغییر فرم پلاستیک از خود نشان می‌دهند. نتایج آزمون سایش نشان داد که اعمال پوشش?های چندلایه پایه تیتانیم باعث کاهش ضریب اصطکاک سطح زیرلایه می?گردد و با افزایش میزان بار اعمالی مقادیر ضریب اصطکاک و کاهش وزن پوشش?ها افزایش می?یابد. پوشش TiN/TiCN/TiN-TiAlN-TiN/TiCN/TiN دارای کم?ترین مقدار ضریب اصطکاک (حدود 4/0) و کم?ترین میزان نرخ سایش در نیروی متوسط 10 نیوتن است و میزان نرخ سایش زیرلایه بدون پوشش حدود چهار برابر بیشتر از نرخ سایش این پوشش می?باشد. همچنین علی?رغم سختی کمتر این پوشش نسبت به پوشش?های دارای لایه سطحی TiAlN، بیشترین مقاومت سایشی را در بین پوشش?های چندلایه دارد. سایش خراشان و اکسیداسیون مهمترین مکانیزم غالب در سایش پوشش?ها می?باشد. با توجه به نتایج آزمون اکسایش، حضور لایه سطحی TiAlN در پوشش?های چندلایه باعث افزایش مقاومت در

ارتقاء امنیت وب با وف بومی

100%