ارزيابي رفتار چسبندگي و بارپذيري پوشش نانوساختار چندلايه CrAlN

STUDENT

DEGREE

YEAR

Nitride coatings with high hardness and excellent wear resistance are produced by physical vapor deposition (PVD) to improve lifetime of the components. In nanostructured nitride coatings, developed in recent years, load bearing capacity and adhesion to the substrate are the two key factors that determine final performance of the coating. In this research, CrN/CrAlN nanostructured multilayer coatings with different thickness and number of layers were deposited by an industrial cathodic arc process on 420 stainless steel and H13 hot work tool steel. The purpose of such system of coating design is to improve adhesion and tribological behavior of CrAlN coating. Structural analysis and characterization of the coatings were performed by nano-indentation test, conventional and field emission scanning electron microscopes, X-ray diffraction and energy dispersive spectroscopy. Adhesion of CrAlN coatings to the substrates was investigated by scratch and VDI 3198 Rockwell adhesion tests. Evaluation of the tribological behavior of the coated specimens was carried out by ball-on-disc test, using tungsten carbide counterface. Experimental results revealed that PVD coatings produced by cathodic arc technique contain many macro-particles, the number and size of which depend on production parameters. High values of compressive residual stress, from 1500 to nearly 3000 MPa, were measured in the nitride coatings. The load bearing capacity, as evaluated by both Rockwell test and pin-on-ball test, was found to depend on the thickness and adhesion of the coating to the substrate; the optimum value was obtained at an intermediate thickness. In addition, the study revealed that type of substrate and deposition parameters had a significant influence on adhesion and load-bearing. Overall results of this research confirmed that among the various parameters influencing load bearing of CrAlN coatings, the thickness was the most significant factor; a thickness between 2 and 8 µm experienced maximum load bearing for the coatings under investigation.

چکيده پوشش هاي نيتريدي با سختي و مقاومت سايشي عالي به وسيله رسوب فيزيکي بخار (PVD) توليد مي شوند تا عمر و عملکرد قطعات را بهبود بخشند. در پوشش هاي نانوساختار نيتريدي که در سال هاي اخير توسعه يافته اند، موضوع بارپذيري و چسبندگي اهميت فراواني دارد و مي تواند تعيين کننده عملکرد قطعه نهايي باشد. در اين تحقيق پوشش هاي نانوساختار چندلايه CrN/CrAlN با ضخامت و تعداد لايه متفاوت، به روش قوس کاتدي روي فولاد زنگ نزن 420 و فولاد ابزار گرمکار H13 رسوب گذاري شدند. طراحي اين سيستم پوششي به منظور بهبود رفتار تريبولوژيکي و چسبندگي پوشش CrAlN در کاربردهاي صنعتي بوده است. آناليز ساختاري و مشخصه يابي پوشش ها با استفاده از آزمون هاي نانوسختي سنجي، پراش پرتو ايکس، ميکروسکوپ الکتروني روبشي و روبشي گسيل ميداني و ميکروآناليز طيف سنج انرژي انجام شد و چسبندگي پوشش ها به کمک آزمون چسبندگي خراش و آزمون راکول ارزيابي گرديد. بررسي رفتار تريبولوژيکي پوشش ها نيز به کمک آزمون گلوله روي ديسک و با استفاده از گلوله کاربيد تنگستن انجام شد. نتايج نشان داد سطح پوشش هاي رسوب فيزيکي بخار به دليل ماهيت فرايند قوس کاتدي شامل ماکروذرات زيادي است که پارامترهاي لايه نشاني در محفظه PVD بر تعداد و اندازه آن ها تاثير دارد. پوشش هاي چندلايه در اين تحقيق تنش هاي پسماند فشاري بالايي، از حدود 1500 تا نزديک به 3000 مگاپاسکال را تجربه کردند که تاثير تعيين کننده اي بر چسبندگي آن ها دارد. نتايج آزمون ها نشان داد که بارپذيري و رفتار تريبولوژيکي پوشش به ضخامت و چسبندگي آن به زيرلايه بستگي دارد و در يک ضخامت بهينه به ماکزيمم مي رسد. اين مقدار بهينه براي پوشش هاي صنعتي مورد پژوهش، ضخامتي بين 2 تا 8 ميکرون بدست آمد. به علاوه طي تحقيقات انجام شده مشخص گرديد که نوع زيرلايه و پارامترهاي رسوب گذاري پوشش نيز بر رفتار چسبندگي و بارپذيري آن تاثير به سزايي دارد. جمع بندي يافته هاي اين پژوهش نشان داد که در ميان پارامترهاي گوناگون تاثيرگذار بر چسبندگي پوشش CrAlN، ضخامت پوشش شاخص ترين عامل بوده است. واژگان کليدي: پوشش نانوساختار، پوشش چندلايه CrAlN، رسوب فيزيکي بخار قوس کاتدي، آزمون چسبندگي خراش، آزمون چسبندگي راکول. .