Skip to main content
SUPERVISOR
Ali Shafyei
علي شفيعي (استاد راهنما)
 
STUDENT
Amirreza Naghashzadeh
اميررضا 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
چکيده امروزه به ‌منظور افزايش طول عمر و ميزان کاربري، اکثر ابزارها و قطعات صنعتي تحت عمليات سطحي مختلفي قرار مي‌گيرند که از جمله اين فرايندها، ايجاد پوشش‌هاي لايه نازک به روش رسوب فيزيکي بخار است. در سال?هاي اخير استفاده از پوشش‌هاي چندلايه نيتريدي در کاربرد‌هاي مختلف صنعتي نظير ابزار برشي و قالب‌هاي شکل‌دهي و ريخته‌گري گسترش يافته است. در اين پژوهش، چهار پوشش چندلايه با ترتيب لايه?هاي مختلف با استفاده از ترکيبات TiN-TiCN-TiAlN بر روي فولاد ابزار D3 به روش تبخير قوس کاتدي اعمال شد. به منظور مشخصه?يابي پوشش?هاي چندلايه اعمالي و تعيين ضخامت آن?ها از ميکروسکوپ? الکتروني روبشي مجهز به آناليز تفکيک انرژي و ميکروسکوپ نيروي اتمي استفاده شد. همچنين آناليز فازي پوشش?ها توسط آزمون پراش پرتو ايکس انجام شد. ارزيابي خواص مکانيکي پوشش?ها با استفاده از آزمون نانو فرورونده تحت بار نهايي mN 30 و با استاندارد فرورونده برکوويچ صورت گرفت. به منظور بررسي رفتار سايشي پوشش?هاي ايجاد شده، از آزمون گلوله بر روي ديسک با استفاده از گلوله‌هايي از جنس آلومينا و تحت بارهاي 5، 10 و 15 نيوتن و طي مسافت 1000 متر استفاده گرديد. در ادامه جهت تعيين مکانيزم?هاي حاکم بر سايش، مسير سايش نمونه?ها به وسيله ميکروسکوپ الکتروني روبشي و آناليز تفکيک انرژي بررسي شد. به منظور بررسي رفتار اکسايشي و پايداري حرارتي اين پوشش?ها، عمليات حرارتي در دماهاي 400، 600، 800 و 1000 درجه سانتيگراد به مدت 1 ساعت در کوره مقاومتي بر روي پوشش?ها صورت گرفت. سپس تصاوير ميکروسکوپي نوري و الکتروني روبشي و همچنين آناليزهاي XRD و EDS سطح پوشش?ها پس از عمليات حرارتي، مورد بررسي قرار گرفت. نتايج بدست آمده حاکي از آن است که در پوشش?هاي چندلايه حضور TiAlN در لايه سطحي در مقايسه با حضور TiN منجر به افزايش زبري سطح گرديده است. با توجه به نتايج آزمون نانو فرورونده، سختي اين پوشش?ها در محدوده 2700 تا 3400 ويکرز مي?باشد و هر چهار پوشش مقاومت خوبي در برابر تغيير فرم پلاستيک از خود نشان مي‌دهند. نتايج آزمون سايش نشان داد که اعمال پوشش?هاي چندلايه پايه تيتانيم باعث کاهش ضريب اصطکاک سطح زيرلايه مي?گردد و با افزايش ميزان بار اعمالي مقادير ضريب اصطکاک و کاهش وزن پوشش?ها افزايش مي?يابد. پوشش TiN/TiCN/TiN-TiAlN-TiN/TiCN/TiN داراي کم?ترين مقدار ضريب اصطکاک (حدود 4/0) و کم?ترين ميزان نرخ سايش در نيروي متوسط 10 نيوتن است و ميزان نرخ سايش زيرلايه بدون پوشش حدود چهار برابر بيشتر از نرخ سايش اين پوشش مي?باشد. همچنين علي?رغم سختي کمتر اين پوشش نسبت به پوشش?هاي داراي لايه سطحي TiAlN، بيشترين مقاومت سايشي را در بين پوشش?هاي چندلايه دارد. سايش خراشان و اکسيداسيون مهمترين مکانيزم غالب در سايش پوشش?ها مي?باشد. با توجه به نتايج آزمون اکسايش، حضور لايه سطحي TiAlN در پوشش?هاي چندلايه باعث افزايش مقاومت در

ارتقاء امنیت وب با وف بومی