Skip to main content
SUPERVISOR
Ali Shafyei
علي شفيعي (استاد راهنما)
 
STUDENT
Bahman Khorrami mohkori
بهمن خرمي مخوري

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390

TITLE

Evaluation of tribological properties of TiN coating on hot work steel (H13) created by chemical vapor deposition (CVD)
High hardness coating created by chemical vapor deposition (CVD) technique has been considered in industry, recently. The main goal of applied hard coating is increasing lifetime of industrial parts such as tools and molds. Physical vapor deposition (PVD) and CVD methods are used for coating of hot work tool steels TiN is one of the hard coatings which are created by CVD or PVD methods in order to increase the lifetime of the molds. Plasma assisted chemical vapor deposition (PACVD) is one method of CVD. In this research, a TiN coating applied on H13 hot wok tool steel by PACVD.The substrate temperature in the PACVD is lower than H13 tempering temperature. The main advantage of PACVD method is low deposition temperature. However, the only disadvantage of this method is low deposition rate. In the PVD method, it is necessary the rotation of the parts, during the coating process. Furthermore, it is difficult to coat, the bulk and heavy parts, while the CVD doesn't have this restriction. In this research, effects of PACVD parameters on properties and behavior of TiN coatings was investigated. The TiN coating is created on nitrided and unnitrided H13 in the different deposition temperatures (460, 480 and 510 ). Reactant gases of TiCl4, N2, H2 and Ar in 0.1, 2.5, 1.5, 1.5 mbar pressures are used in coating process. The results show that difference in the deposition temperature and substrate affects on tribological properties. Characterizations of coatings are investigated by thickness, microhardness, nanohardness, chemical composition of coating and morphological measurements and wear behavior .The TiN clusters created on the substrate increase with increasing deposition temperature. Results show that the surface roughness for nitride H13 is 130 nm while for coating is 20 nm. Thus, the coating process reduce roughness and friction coefficient. Young's modulus and hardness of coating created in deposition temperature of 460 was 220 GPa and 1810 HV, respectively. Investigation of tribilogical behavior shows that the dominant mechanisms for coating in high temperature wear are adhesion and tribochemical while in low temperature wear is tribochemical. Key Words : PACVD, TiN, rectant gases, PVD
چکيده استفاده از پوشش هاي با سختي بالا که بوسيله ي تکنيک رسوب شيميايي بخار ايجاد مي شوند در چند دهه ي اخير در بسياري از بخش هاي صنعت مورد توجه ويژه اي قرار گرفته است. هدف از اعمال پوشش هاي سخت عمدتاً افزايش عمر قطعات صنعتي بخصوص ابزارها و قالب ها مي باشد. براي پوشش دهي فولادهاي ابزار اغلب از روش هاي رسوب شيمياي بخار و رسوب فيزيکي بخار استفاده مي شود. يکي از فولادهاي ابزار که عمدتاً براي ساخت قالب استفاده مي شود، فولاد ابزار گرمکار 13H مي باشد. در اين راستا مي توان با اعمال پوشش هاي سختي هم چون تيتانيم نيتريد به يکي از دو روش مذکور باعث افزايش عمر قطعات گرديد. روش رسوب شيميايي بخار به کمک پلاسما Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition)) يکي از روش هاي رسوب شيميايي بخار مي باشد که در آن دماي لازم براي پوشش دهي، کمتر از از دماي تمپر فولاد 13H مي باشد. پايين بودن دماي پوشش دهي در اين روش مهمترين مزيت آن مي باشد. تنها عيب اين روش سرعت رسوب گذاري نسبتاً پايين آن مي باشد. در روش رسوب فيزيکي بخار ابزارهايي که قرار است پوشش داده شوند بايستي در حين فرآيند پوشش دهي در حال چرخش باشند. لذا امکان پوشش دهي قطعات حجيم و سنگين با مشکل روبرو مي گردد. در حالي که روش رسوب شيميايي بخار اين محدوديت را ندارد. در اين پژوهش سعي شده تأثير پارامترهاي مختلف پوشش دهي در فرآيند PACVD، بر روي خواص و رفتار تريبولوژيکي پوشش هاي تيتانيم نيتريد مورد مطالعه و بررسي قرار گيرد. پوششهاي تيتانيم نيتريد در سه دماي مختلف زيرلايه(460، 480 و 510 درجه ي سانتي گراد) بر روي دو زيرلايه ي فولاد 13H نيتراسيون شده و نيتراسيون نشده ايجاد گرديد. گازهاي واکنشگر 4 TiCl، 2 N، 2 H و Ar با فشار 1/0، 5/2، 5/1 و mbar 5/1 براي ايجاد پوشش مورد استفاده قرار گرفت. نتايج بدست آمده نشان مي دهد تأثير دماي پوشش دهي و نوع زيرلايه بر روي خواص تريبولوژيکي هر يک از پوشش ها مشهود مي باشد. مشخصه يابي پوشش هاي ايجاد شده بر روي زيرلايه بوسيله ي ميزان ضخامت پوشش، ميکرو و نانوسختي سنجي، ترکيب فازي، مورفولوژي و رفتار سايشي مورد ارزيابي قرار گرفت. افزايش دماي رسوب گذاري باعث افزايش اندازه ي خوشه هاي تيتانيم نيتريد در سطح پوشش مي گردد. بررسي هاي زبري سطح نشان مي دهد که زبري در حالت نيتراسيون برابر nm 127 و در حالت پوشش nm 26 مي باشد. لذا فرآيند پوشش دهي باعث کاهش ميزان زبري و در نتيجه کاهش ميزان ضريب اصطکاک گرديده است. ميزان مدول يانگ و سختي پوشش ايجاد شده در دماي رسوب گذاري 460 درجه ي سانتي گراد به ترتيب برابر با GPa220 و HV 1810 مي باشد. بررسي هاي رفتار سايشي پوشش هاي ايجاد شده نشان مي دهد که مکانيزم سايش در دماي بالا براي اين پوشش ها از نوع چسبان به همراه تريبو شيميايي مي باشد در حالي که در دماي پايين تنها تريبوشيميايي مي باشد. کلمات کليدي: رسوب شيميايي بخار به کمک پلاسما، تيتانيم نيتريد، گازهاي واکنشگر، رسوب فيزيکي بخار

ارتقاء امنیت وب با وف بومی