Application of nanotechnology in mechanical engineering

New technological processes of hardening using nanotechnology have been developed, tested and used in the manufacture. In this case, an integrated approach is used in the study, which included constructive solutions at hardening, application of nano- and micro-sized coatings, the choice of material and processing technology. New technologies of hardening are effective for work in friction, corrosion and fatigue conditions

Application of nanotechnology in mechanical engineering

New technological processes of hardening using nanotechnology have been developed, tested and used in the manufacture. In this case, an integrated approach is used in the study, which included constructive solutions at hardening, application of nano- and micro-sized coatings, the choice of material and processing technology. New technologies of hardening are effective for work in friction, corrosion and fatigue conditions

Estimation of local inhomogeneity of multilayer nanostructured ZrN/ZrO₂ coating

Multilayer nanostructured ZrN/ZrO₂ coatings were applied to increase the operational resistance of various machinery parts by using vacuum-arc deposition in Bulat-type facility. To describe the structure formation, a new approach based on optical-mathematical method for processing metallographic images is proposed. The structure formation of the multilayer coating with an assessment of the degree of its inhomogeneity and diffusion processes between the layers is studied. For a reliable assessment, the changes in the horizontal and vertical directions of the images with the choice of optimal intervals were comparatively analyzed. It has been found that the most stable results are achieved using 20 and 25 dots (pixels).Для підвищення експлуатаційної стійкості деталей нанесено багатошарове наноструктурне покриття ZrN/ZrO₂. Для опису особливостей структуроутворення запропоновано новий підхід з використанням оптико-математичного методу обробки металографічних зображень. Вивчено структуроутворення багатошарового покриття з оцінкою ступеню його неоднорідності та дифузійних процесів між шарами. Для достовірної оцінки порівняльно проаналізовані зміни в горизонтальному та вертикальному напрямках зображень з вибором оптимальних інтервалів. Встановлено, що найбільш стабільні результати досягаються при використанні 20 та 25 точок (пікселів).Для повышения эксплуатационной стойкости деталей нанесено многослойное наноструктурное покрытие ZrN/ZrO₂. Для описания особенностей структурообразования предложен новый подход с использованием оптико-математического метода обработки металлографических изображений. Изучено структурообразование многослойного покрытия с оценкой степени его неоднородности и диффузионных процессов между слоями. Для достоверной оценки сопоставительно проанализированы изменения в горизонтальном и вертикальном направлениях изображений с выбором оптимальных интервалов. Установлено, что наиболее стабильные результаты достигаются при использовании 20 и 25 точек (пикселей)

Influence of increased sliding speed on the structure and properties of piston rings with ion-plasma coating

The technology of ion-plasma hardening of oil-scraper piston rings of D100 diesel engine by multilayer TiN/CrN composition is proposed. Comparative tests for friction and wear of the piston rings have been carried out and the multiple increasing in wear resistance of the rings with ion-plasma coating is shown. An estimation of the change in their microhardness before and after the tests was performed. The nature of the change in the composition of coatings: both in the initial state and during operation by local micro-X-ray spectral analysis was established. A method for estimating the effective thickness of coatings, which is protected by a patent, is proposed.Запропоновано технологію іонно-плазмового зміцнення маслоз'ємних поршневих кілець дизельгенератора Д100 багатошаровою композицією TiN/CrN. Проведено порівняльні випробування на тертя і знос і показано багаторазове підвищення зносостійкості поршневих кілець з іонно-плазмовим покриттям y порівнянні з серійними. Виконано оцінку зміни їх мікротвердості до- і після випробувань. Мікрорентгеноспектральним аналізом встановлено характер зміни складу покриттів: як в початковому стані, так і в процесі експлуатації. Запропоновано метод оцінки ефективної товщини покриттів, який захищений патентом.Предложена технология ионно-плазменного упрочнения маслосъемных поршневых колец дизельгенератора Д100 многослойной композицией TiN/CrN. Проведены сопоставительные испытания на трение и износ и показано многократное повышение износостойкости поршневых колец с ионно-плазменным покрытием по сравнению с серийными. Выполнена оценка изменения их микротвердости до- и после испытаний. Микрорентгеноспектральным анализом установлен характер изменения состава покрытий как в исходном состоянии, так и в процессе эксплуатации. Предложен метод оценки эффективной толщины покрытий, который защищён патентом

Development of complex technology of strengthening of thin-walled cutting tools

The complex technology to strengthen thin-walled cutting tools by coating for a long, stable operation of disk knives has been proposed. The cutting tools for crushing nuts used in the confectionery industry made of cold-rolled steel sheet of 65 G and X20Cr13 types were used for coatings application. Two methods of cleaning and strengthening of such tools were proposed and investigated: ion bombardment with titanium ions (PVD) and vacuum-arc method using RF-discharge (RF). The structure and chemical composition of knifes with TiN coating were investigated using scanning electron microscopy and X-ray microanalysis. A new way to strengthen thin disk knives with TiN nanocoating was patented in Ukraine.Предложена комплексная технология упрочнения тонкостенного режущего инструмента с помощью покрытий для обеспечения более длительной стабильной работы дисковых ножей. Покрытия наносили на режущий инструмент, изготовленный из холоднокатаной тонколистовой стали 65Г и 20Х13, для дробления орехов в кондитерском производстве. Предложены и исследованы два метода очистки и упрочнения таких инструментов: ионная бомбардировка ионами титана и вакуумно-дуговой метод с использованием ВЧ- разряда. Исследованы структура и химический состав ножей с покрытием TiN с помощью сканирующей электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа. Новый способ упрочнения тонкостенных дисковых ножей нанопокрытиями TiN защищён патентом Украины.Запропоновано комплексну технологію зміцнення тонкостінного ріжучого інструмента з допомогою покриттів для забезпечення більш тривалої стабільної роботи дискових ножів. Покриття наносили на ріжучий інструмент, виготовлений з холоднокатаної тонколистової сталі 65Г і 20Х13, для подрібнення горіхів в кондитерському виробництві. Запропоновано та досліджено два методи очищення і зміцнення таких інструментів: іонне бомбардування іонами титану і вакуумно-дуговий метод з використанням ВЧ- розряду. Досліджено структуру та хімічний склад ножів з покриттям TiN за допомогою скануючої електронної мікроскопії та мікрорентгеноспектрального аналізу. Новий спосіб зміцнення тонкостінних дискових ножів нанопокриттям TiN захищений патентом України

Study of degradation mechanism of metal-cutting tools and their hardening by ZrN PVD coatings

The wear behavior of packaging knives made from high-alloy steel of X205Cr12KU type used in wrapping machines of MC1DT-T type (MC Automations, Italy) has been investigated. ZrN nanostructured coatings deposited by physical vapor deposition (PVD) with RF discharge mode have been employed to act as protective coatings on such knives due to their high hardness and chemical stability. The chemical composition, microstructure, and physical-mechanical characteristics of the ZrN coating have been studied by means of optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), energy dispersive spectrometry (EDS) and nanoidentation method. The maximum nanohardness of the ZrN coating reached 32.05 GPa, which was 3.4 times higher than the tool matrix and was 57.65 % higher than that of the base metal spec-carbide phase. The application of coatings allowed stabilizing the working surface layer under deformation and to prevent the carbide phase from being crushed. Due to ZrN coating an increase in wear resistance by 3 times under production conditions was achieved.Проведено дослідження зносостійкості пакувальних ножів з високолегованої сталі марки X205Cr12KU, які використовуються в машинах типу MC1DT-T (MC Automations, Італія). Наноструктурні покриття ZrN, отримані фізичним осадженням з газової фази (PVD) за допомогою ВЧ-розряду, завдяки високій твердості та хімічній стабільності використовувалися для захисту поверхні таких ножів. Хімічний склад, мікроструктурa та фізико-механічні характеристики покриття ZrN вивчалися за допомогою: оптичної мікроскопії, скануючої електронної мікроскопії (SEM), рентгенівської дифрактометрії (XRD), енергодисперсійної спектрометрії (EDS) та методу наноідентування. Максимальна нанотвердiсть покриття ZrN досягала 32,05 ГПа, що в 3, 4 рази більше, ніж твердість матриці інструмента, і на 57,65 % вище, ніж у карбідної фази основного металу. Застосування покриттів дозволило стабілізувати робочий поверхневий шар при деформації і запобігти подрібненню карбідної фази. Завдяки покриттю ZrN було досягнуто підвищення зносостійкості у виробничих умовах в 3 рази.Проведено исследование износостойкости упаковочных ножей из высоколегированной стали марки X205Cr12KU, используемых в машинах типа MC1DT-T (MC Automations, Италия). Наноструктурные покрытия ZrN, полученные физическим осаждением из газовой фазы (PVD) с применением ВЧ-разряда, благодаря высокой твердости и химической стабильности использовались для защиты поверхности таких ножей. Химический состав, микроструктура и физико-механические характеристики покрытия ZrN изучались с помощью: оптической микроскопии, сканирующей электронной микроскопии (SEM), рентгеновской дифрактометрии (XRD), энергодисперсионной спектрометрии (EDS) и метода наноидентирования. Максимальная нанотвердость покрытия ZrN достигала 32,05 ГПа, что в 3,4 раза больше, чем твердость матрицы инструмента, и на 57,65 % выше, чем у карбидной фазы основного металла. Применение покрытий позволило стабилизировать рабочий поверхностный слой при деформации и предотвратить измельчение карбидной фазы. Благодаря покрытию ZrN было достигнуто повышение износостойкости в производственных условиях в 3 раза

Complex evaluation of structural state degree of strengthening nanocoatings

The degree of structural heterogeneity of TiN coatings on the surface of cold-rolled 65 G thin sheet steel obtained in standard PVD and RF modes was investigated using the optical-mathematical method. The factors such as the diffusion of chemical components, the density of the structure and the intensity of the resulting deformations that affect the stability of the tool during operation are estimated.Виконано дослідження ступеню структурної неоднорідності покриттів TiN, отриманих на поверхні тонколистової холоднокатаної сталі марки 65Г у стандартном PVD- і ВЧ-режимах осадження за допомогою оптико-математичного методу. Оцінені такі фактори, як дифузія хімічних компонентів, щільність структури та інтенсивність виникаючих деформацій, які впливають на стабільність інструмента в процесі експлуатації.Выполнены исследования степени структурной неоднородности покрытий TiN, полученных на поверхности тонколистовой холоднокатаной стали марки 65Г в стандартном PVD- и ВЧ-режимах осаждения при помощи оптико-математического метода. Оценены такие факторы как диффузия химических компонентов, плотность структуры и интенсивность возникающих деформаций, влияющие на стабильность инструмента в процессе эксплуатации

Synthesis and characterisation of nanocrystalline ZrN PVD coatings on AISI 430 stainless steel

The nanocrystalline films of zirconium nitride have been synthesized using ion-plasma vacuum-arc deposition technique in combination with high-frequency discharge (RF) on AISI 430 stainless steel at 150 °C. Structure examinations X-ray fluorescent analysis (XRF), X-ray diffraction analysis (XRD), scanning electron microscopy (SEM) with microanalysis (EDS), and transmission electron microscopy (TEM), nanoidentation method – were performed to study phase and chemical composition, surface morphology, microstructure and nanohardness of coatings. The developed technology provided low-temperature coatings synthesis, minimized discharge breakdown decreasing formation of macroparticles (MPs) and allowed to deposit ZrN coatings with hardness variation 26.6…31.5 GPa. It was revealed that ZrN single-phase coatings of cubic modification with finecrystalline grains of 20 nm in size were formed.Нанокристалічні плівки нітриду цирконію були синтезовані вакуумно-дуговим методом із застосуванням високочастотного розряду (ВЧ) на поверхні нержавіючої сталі марки AISI 430 при 150 °C. Для вивчення фазового і хімічного складів, морфології поверхні, мікроструктури і нанотвердості покриттів застосовувалися рентгенофлуоресцентний (XRF) та рентгеноструктурний (XRD) аналізи, скануюча електронна мікроскопія (SEM) з мікроаналізом (EDS) та просвічувальна електронна мікроскопія (TEM). Розроблена технологія забезпечує низькотемпературний синтез покриттів, зменшуючи утворення макрочасток, а також дозволяє осаджувати покриття ZrN з твердістю 26,6…31,5 ГПа. Встановлено утворення однофазних полікристалічних плівок ZrN кубічної модифікації з розміром зерен 20 нм.Нанокристаллические пленки нитрида циркония были синтезированы вакуумно-дуговым методом с применением высокочастотного разряда (ВЧ) на поверхности нержавеющей стали марки AISI 430 при 150 °C. Для изучения фазового и химического составов, морфологии поверхности, микроструктуры и нанотвердости покрытий применялись рентгенофлуоресцентный (XRF) и рентгеноструктурный (XRD) анализы, сканирующая электронная микроскопия (SEM) с микроанализом (EDS) и просвечивающая электронная микроскопия (TEM). Разработанная технология обеспечивает низкотемпературный синтез покрытий, уменьшая образование макрочастиц, а также позволяет осаждать покрытия ZrN с твердостью 26,6…31,5 ГПа. Установлено образование однофазных поликристаллических пленок ZrN кубической модификации с размером зерен 20 нм

Effect of deposition parameters on microstructure and tribological properties of hard CA-PVD multi-component TiAlCrN and TiAlCrCN coatings

Multicomponent TiAlCrN and TiAlCrCN coatings were deposited using vacuum arc evaporation technique on AISI 430 stainless steel. The influence of working gas pressure, C ⁄ N ratio, bias voltage on the structure and tribomechanical properties of the obtained coatings has been studied. The surface morphology, chemical compound of the coatings obtained under the various conditions has been analyzed by SEM with EDX, XRD, and XRF analysis. The dry wear pad-on-disc tests against 100Cr6 counterbody at 20 N load have been carried out. It was established that Vickers micro-hardness was varied from 26 to 41 GPa depending on deposition parameters.Багатокомпонентні покриття TiAlCrN і TiAlCrCN були нанесені методом вакуумно-дугового осадження на нержавіючу сталь AISI 430. Вивчено вплив тиску робочого газу, відношення C ⁄ N, напруги зсуву на структуру і трібологічні властивості отриманих покриттів. Морфологія поверхні, хімічний і фазовий склади покриттів були досліджені за допомогою SEM з EDX-, XRD- і XRF-аналізів. Були проведені трибологічні випробування покриттів в умовах сухого тертя за схемою «диск-колодка» з контртілом зі сталі 100Cr6 при навантаженні 20 Н. Встановлено, що мікротвердість покриттів варіюється від 26 до 41 ГПа в залежності від параметрів осадження.Многокомпонентные покрытия TiAlCrN и TiAlCrCN были нанесены методом вакуумно-дугового осаждения на нержавеющую сталь AISI 430. Изучены влияния давления рабочего газа, отношения C ⁄ N, напряжения смещения на структуру и трибологические свойства полученных покрытий. Морфология поверхности, химический и фазовый составы покрытий были исследованы с помощью SEM с EDX-, XRD- и XRF-анализов. Были проведены трибологические испытания покрытий в условиях сухого трения по схеме «диск-колодка» с контртелом из стали 100Cr6 при нагрузке 20 Н. Установлено, что микротвердость покрытий варьируется от 26 до 41 ГПа в зависимости от параметров осаждения

Anti-corrosion ceramic coatings on the surface of Nd-Fe-B repelling magnets

The results of vacuum-arc deposition of thin ZrO₂ coatings to protect the surface of Nd-Fe-B permanent magnets used as repelling devices in orthodontics are presented. The structure, phase composition and mechanical properties of zirconium dioxide films have been investigated by means of SEM, XRD, EDX, XRF, and nanoindentation method. It was revealed the formation of polycrystalline ZrO₂ films of monoclinic modification with average grain size 25 nm. The influence of the ZrO₂ coating in terms of its barrier properties for corrosion in quasi-physiological 0.9 NaCl solution has been studied. Electrochemical measurements indicated good barrier properties of the coating on specimens in the physiological solution environment.Представленo результати вакуумно-дугового осадження тонких покриттів ZrO₂ для захисту поверхонь постійних магнітів Nd-Fe-B, що використовуються як стягувальні пристрої в ортодонтії. Структура, фазовий склад та механічні властивості плівки діоксиду цирконію були досліджені засобами SEM, XRD, EDX, XRF та наноіндентування. Було виявлено утворення полікристалічних плівок ZrO₂ моноклінної модифікації з середнім розміром зерна 25 нм. Вивчено вплив покриття ZrO₂ як бар’єру для захисту магнітів від корозії в квазіфізіологічному розчині 0,9 NaCl. Електрохімічні виміри встановили хороші бар'єрні властивості покриття на зразках у середовищі фізіологічного розчину.Представлены результаты вакуумно-дугового осаждения тонких покрытий ZrO₂ для защиты поверхности постоянных магнитов Nd-Fe-B, используемых в качестве стягивающих устройств в ортодонтии. Структура, фазовый состав и механические свойства пленок двуокиси циркония были исследованы методами SEM, XRD, EDX, XRF, наноиндентирования. Было обнаружено образование поликристаллических пленок ZrO₂ моноклинной модификации со средним размером зерна 25 нм. Изучено влияние покрытия ZrO₂ в качестве барьера для защиты магнитов от коррозии в квазифизиологическом растворе 0,9 NaCl. Электрохимические измерения показали хорошие барьерные свойства покрытия на образцах в среде физиологического раствора