Mechanical and Tribological Properties of Carbon-Based Graded Coatings

The paper presents research on coatings with advanced architecture, composed of a Cr/Cr2N ceramic/metal multilayer and graded carbon layers with varying properties from Cr/a-C:H to a-C:N. The microstructure of the coatings was analysed using transmission electron microscopy and Energy Dispersive Spectroscopy, the mechanical properties were tested by nanoindentation, spherical indentation, and scratch testing, and tribological tests were also conducted. The proper selection of subsequent layers in graded coatings allowed high hardness and fracture resistance to be obtained as well as good adhesion to multilayers. Moreover, these coatings have higher wear resistance than single coatings and a friction coefficient equal to 0.25

Finite element modelling of deformation and stress in the coating-substrate systems during scratch tests

W pracy przedstawiono wpływ obciążeń zewnętrznych przenoszonych w styku skoncentrowanym wywoływanych przez wgłębnik diamentowy podczas testu zarysowania na rozkład naprężeń w układzie powłoka–podłoże. Analizowano miejsca maksymalnej koncentracji naprężeń rozciągających prowadzących do pękania powłoki oraz naprężeń zredukowanych decydujących o uplastycznieniu podłoża. Analizy oparto o eksperymenty numeryczne z wykorzystaniem metody elementów skończonych. Analizie poddano układy o różnych właściwościach materiałowych powłoki i podłoża oraz o różnej geometrii kontaktujących się elementów. W wyniku przeprowadzonych badań zauważono decydujący wpływ granicy plastyczności podłoża oraz grubości powłoki na rozkład naprężeń i deformacje całego systemu. Analizy numeryczne porównano z wynikami badań eksperymentalnych przeprowadzonych dla niepokrytych podłoży ze stali austenitycznej X5CrNi18-10 i ferrytycznej X20Cr13 oraz z powłokami ZrN o grubości 1 i 2 μm. W wyniku połączonej analizy MES i badań eksperymen-talnych określono poziom naprężeń prowadzących do zniszczenia powłoki.The paper presents the influence of external loads carried in contact load conditions caused by a diamond indenter during scratch testing on stress distribution in a coating-substrate. The maximum tensile stress concentrations that lead to coating fracture and the stresses that cause substrate yield were analysed. Analyses were based on numerical experiments using the finite element method. The analyses were carried out for systems with different material properties of coatings and substrates and with different geometries of contacting elements. The studies allowed the determination of the significant impact of substrate yield strength and coating thickness on stress distribution and deformations of the whole system. The results of numerical analysis were compared with the results of experimental tests for uncoated substrates – X5CrNi18-10 austenitic and X20Cr13 ferritic steels and with 1 and 2 μm thick ZrN coatings. As a result of this complex analysis, the level of stress that leads to coating fracture was determined

Effect of scratch test parameters on the deformation and fracture of coating-substrate systems

W publikacji zostały przedstawione rozważania na temat wyników badań uzyskiwanych w teście zarysowania. Omówiono najczęściej występujące formy niszczenia układów powłoka-podłoże przy obciążeniach krytycznych. Analizowano deformacje i pękanie oraz kolejne fazy niszczenia powłok. Badano wpływ parametrów testu jak prędkość przesuwu wgłębnika, prędkość narastania obciążenia w czasie na uzyskiwane wyniki badań, a analizę oparto o rachunek prawdopodobieństwa wystąpienia pęknięcia w powłoce przy zadanym obciążeniu. Model analityczny porównano z wynikami badań eksperymentalnych przeprowadzonych dla powłok ceramicznych TiN i CrN. Do badań wykorzystano próbki o podłożu ze stali X20Crl3 z naniesionymi metodą PLD (Pulsed Laser Deposition) powłokami ceramicznymi.The paper presents studies on the results obtained in scratch testing. The most common failure forms in coating-substrate systems, their deformations, and fracture are discussed. The research program indicated the effect of test parameters such as speed of the indenter dx/dt, the rate of load rise dL/dt on the obtained critical loads. The analysis of results was based on the calculation of crack probability in the coating at certain load. The results of analytical model were compared with the results of experimental tests performed on TiN and CrN ceramic coatings deposited on X20Crl3 steel substrates

Badanie wytrzymałości i odporności na zużycie powłok ZrN

The article presents the results of mechanical and tribological studies of ZrN coatings that allowed the determination of their hardness, elasticity modulus, and scratch and wear resistance. Tests were carried out for 1, 1.4, and 2 μm thick ZrN coatings deposited on X5CrNi18-10 austenitic steel substrates by PVD technology. Hardness and Young's modulus of coatings, evaluated by nanoindentation, were within the 26–32 GPa, and 330–360 GPa ranges, respectively. Analysis of the adhesion of the coating to the substrate was carried out based on the results of the scratch test. The highest critical load values of LC1 and LC2 were measured for the 1.4 μm thick coating. Tribological tests performed using a ball-on-disc tribotester showed that the wear resistance increases with coating thickness. This was accompanied by a reduction of the coefficient of friction from 0.22 to 0.17.W artykule przedstawiono wyniki badań tribologicznych powłok ZrN pozwalające określić ich wytrzymałość i odporność na zużycie. Badania przeprowadzono dla powłok ZrN o grubościach 1, 1,4 i 2 μm osadzonych na podłożach ze stali austenitycznej X5CrNi18-10 metodą fizycznego osadzania z fazy gazowej PVD. Metodą nanoindentacji określono twardość i moduł sprężystości powłok wynoszące odpowiednio 26–32 GPa oraz 330–360 GPa. Analizę wytrzymałości połączenia powłok z podłożem oparto o wyniki testu zarysowania. Najwyższe wartości obciążeń krytycznych LC1 i LC2 zmierzono dla powłoki o grubości 1,4 μm. Testy tribologiczne wykonane w styku kula-tarcza wykazały, że odporność na zużycie powłok rośnie wraz z grubością. Towarzyszy temu zmniejszenie wartości współczynnika tarcia z 0,22 do 0,17

The research techniques for analysis of mechanical and tribological properties of coating-substrate systems

W artykule przedstawiono techniki badawcze pozwalające na analizę właściwości zarówno mechanicznych, jak i tribologicznych cienkich powłok nanoszonych na elementy maszyn pracujących niejednokrotnie w ciężkich warunkach. W Katedrze Konstrukcji i Eksploatacji Maszyn w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie studenci studiów magisterskich na kierunku mechanika i budowa maszyn w ramach fakultetu tribologia odbywają laboratoria, podczas których poznają między innymi nowe techniki badań cienkich powłok nanoszonych metodami PVD i CVD. Obejmują one analizę mikro-, nanotwardości oraz modułu Younga przy użyciu techniki instrumentalnej indentacji. Studenci wykonują także testy zarysowania, dzięki którym przeprowadzają pomiar adhezji cienkich powłok i warstw wierzchnich do podłoży. Właściwości tribologiczne układów powłoka-podłoże są badane różnymi technikami, głównie w styku skoncentrowanym kula-tarcza i rolka-klocek oraz środowisku silnie ściernym tarcza-kula.The article presents research techniques for the analysis of both mechanical and tribological properties of thin coatings applied on highly loaded machine elements. In the Institute of Machine Design and Exploitation, AGH University of Science and Technology students of the second level of Mechanical Engineering study tribology attending laboratory class. Students learn on techniques for mechanical and tribological testing of thin, hard coatings deposited by PVD and CVD technologies. The program of laboratories contains micro-, nanohardness and Young's modulus measurements by instrumental indentations and analysys of coating to substrate adhesion by scratch testing. The tribological properties of the coating-substrate systems are studied using various techniques, mainly in point contact load conditions with ball-on-disc and block-on-ring tribomiters as well as using ball cratering method in strongly abrasive suspensions

Wpływ naprężeń własnych na nośność powierzchni z powłokami PVD

The article presents the results of spherical indentation modelling of coating-substrate systems. Modelling was carried out using the finite element method. First of all, the effect of the coating thickness on system deformation and stress distribution was taken into analysis, assuming coating thicknesses of 1, 2, and 5 μm, which are typical for tribological applications as well as models with infinitely thick coating and without a coating. The evolution of maximum radial stresses in the indentation within 0 to 3N load is presented. A significant effect of the coating thickness on the value and location of the maximum stress concentration was observed. The effect of internal stresses on surface bearing capacity with PVD coatings was also analysed. The paper presents the possibility of creating failure maps of coating–substrate systems for the assumed mechanical properties of materials, which allows one to determine the load capacity of coated surface or choose the optimal coating thickness when the maximum strength and contact geometry are known.W artykule zostały przedstawione wyniki modelowania sferycznej indentacji układów powłoka-podłoże. Modelowanie prowadzono z użyciem metody elementów skończonych. Analizowano przede wszystkim wpływ grubości powłoki na deformacje układu i rozkład naprężeń, przyjmując typowe w tribologicznych aplikacjach grubości powłok 1, 2 i 5 μm oraz modele z nieskończenie grubą powłoką i bez powłoki. Przedstawiono ewolucję głównie przy maksymalnych naprężeniach promieniowych w zakresie obciążenia wgłębnika od 0 do 1 N. Zaobserwowano istotny wpływ grubości powłoki na wartość i miejsca maksymalnej koncentracji naprężeń. Analizowano także wpływ naprężeń własnych na nośność powierzchni z powłokami PVD. W pracy przedstawiono możliwość tworzenia map niszczenia układów powłoka–podłoże dla założonych właściwości mechanicznych materiałów, dzięki której można określić zakres nośności powierzchni układu lub dobrać optymalną grubość powłoki przy znajomości maksymalnej siły i geometrii kontaktu

Właściwości tribologiczne nanokompozytowych powłok węglowych Ti/A-C:H

The paper presents the results of mechanical and tribological tests of Ti/a-C:H nanocomposite carbon coatings and a-C:H hydrogenated carbon coating. All coatings were deposited by magnetron sputtering technique at various acetylene gas flows in a vacuum chamber, resulting in different coatings properties. The conducted study determines hardness, elasticity modulus, fracture resistance, and tribological properties – wear and friction coefficient of deposited coatings. The lowest wear and coefficient of friction were exhibited coatings deposited at higher acetylene flows, 15-20 sccm. However, they are atch testing is several times smaller than in a case of softer coatings deposited at lower acetylene flow up to 10 sccm.W pracy przedstawiono wyniki badań mechanicznych i tribologicznych nanokompozytowych powłok węglowych Ti/a-C:H, które porównywano z właściwościami powłok węglowych a-C:H. Powłoki wytwarzano techniką magnetronowego rozpylania przy różnym przepływie acetylenu od 1 do 20 sccm przez komorę próżniową, co skutkowało różnymi właściwościami powłok. Przeprowadzone badania umożliwiły określenie twardości, modułu sprężystości, odporności na pękanie oraz właściwości tribologicznych – wskaźnika zużycia i współczynnika tarcia wytworzonych powłok. Najmniejszym zużyciem oraz najmniejszymi wartościami współczynnika tarcia charakteryzowały się powłoki wytworzone przy największych przepływach acetylenu 15–20 sccm. Natomiast są one kruche, a obciążenie krytyczne określone w teście zarysowania jest kilkukrotnie mniejsze niż dla miększych powłok osadzanych przy przepływie acetylenu do 10 sccm

Tribology of carbon coatings at elevated temperature

W pracy przedstawiono wyniki badań mechanicznych i tribologicznych powłok węglowych a-C, a-C:H i a-C:N. Właściwości tribologiczne takich powłok wciąż nie są dostatecznie rozpoznane, zwłaszcza w przypadku analiz prowadzonych w podwyższonych temperaturach. W ramach pracy analizowano właściwości mechaniczne – twardość i moduł sprężystości oraz właściwości tribologiczne – wskaźnik zużycia i współczynnik tarcia w temperaturze 20ºC i 300ºC. Najtwardszą z powłok okazała się powłoka a-C – 17 GPa, a najmiększą a-C:H – 7GPa. Testy tribologiczne w temperaturze pokojowej wykazały, że współczynnik tarcia jest najmniejszy dla powłoki a-C, a najwyższy dla a-C:N – odpowiednio m = 0,05 i 0,24. Najniższe wartość wskaźnika zużycia zmierzono także dla powłoki a-C. Natomiast w temperaturze 300ºC najlepszą okazała się powłoka uwodorniona a-C:H, dla której zużycie było tylko nieznacznie wyższe niż w temperaturze pokojowej, a współczynnik tarcia wynosił 0,04. Zużycie powłoki a-C:N jest 20-krotnie większe niż powłoki a-C:H, chociaż współczynnik tarcia w całym zakresie 20 000 cykli testu tribologicznego wynosił tylko 0,05. Natomiast powłoka a-C w warunkach przeprowadzanego testu została całkowicie zniszczona już po 7000 cykli.The paper presents the results of the mechanical and tribological coatings of carbon a-C, a-C:H and a-C:N coatings. The hardest coatings H = 17 GPa is a non-hydrogenated a-C coating, while the softest one is a-C:H - 7 GPa. Tribological tests performed at 20°C exhibited the lowest coefficient of friction 0.05 for the a-C coating. In a case of this coating, the lowest value of wear index was also measured. The hydrogenated and nitrogenated coatings have higher friction m = 0.14 and 0.24 respectively. However, the wear of these coatings was higher than for a-C, but it was still at low level comparing to typical ceramic coatings. In contrast, the hydrogenated a-C:H coating exhibited the best wear resistance at 300°C. The wear index was only 50% higher than at room temperature and the friction coefficient varied within the range of 0.03-0.05. The nitrogenated coating a-C:N has 20 times higher wear than the a-C:H coating, although the friction coefficient was only 0.05 over the whole test duration – 20000 cycles. The best coating (a-C) at in room temperature was the worst at elevated temperatures. This coating was completely destroyed after 7000 cycles