Czasopismo | INŻYNIERIA MATERIAŁOWA | Rocznik 2018 - zeszyt 1

A comparative research on mechanical properties of monolayer, gradient and multi-module coatings on CrN(C) base

Badania właściwości mechanicznych jednowarstwowych, wielomodułowych oraz gradientowych powłok na bazie CrN(C)

10.15199/28.2018.1.2

nr katalogowy: 112399
10.15199/28.2018.1.2

Streszczenie

Chromium has been used for decades for the production of relatively thick, hard, wear resistant coatings in a wide range of industries - including the automotive and aircraft industry. Whilst traditional hard chromium finished coatings have no known health hazards, the chemicals, used in the process of application, comprise hexavalent chromium compounds (Cr6+ ions) and chromium in this state is extremely toxic. Due to the European directive on chemicals (REACH), hard chromium coatings, produced from highly toxic and carcinogenic baths, must be replaced by "green" solutions. In certain applications, the coatings obtained by PVD method can be the alternative to hard chromium electroplating where superior wear resistance to that of hard chromium electroplate is required - especially if a thin coating is suitable. Among PVD coatings, the chrome nitride coatings have demonstrated to possess excellent wear resistance properties. In this article was presented a fragment of research on this subject, carried out as part of an international research project CORNET, whose aim was to develop technologies of anti-wear and anti-corrosion coatings as replacements for hard chromium and cadmium coatings for applications in the aerospace and automotive industries. In particular, the article contains a description of the investigation of the mechanical properties of monolayer, gradient and multi-module coatings on CrN(C) base deposited with use of the cathodic arc evaporation CAE-PVD method on nitrided steel 42CrMo4 and additionally in the case of gradient and multi-module coatings on substrates of HS6-5-2 steel. The investigation includes the adhesion analysis by scratch test and by the Rockwell C indentation test (VDI - Verein Deutscher Ingenieure indentation test) tribomechanical analysis by pin-on-disc, measurement of friction coefficient and nanoindentation tests.

Abstract

W związku z europejską dyrektywą dotyczącą chemikaliów (REACH) twarde powłoki chromowe, produkowane w toksycznych i rakotwórczych kąpielach, muszą być zastąpione przez rozwiązania "zielone". W niektórych zastosowaniach, między innymi w przemyśle lotniczym, powłoki otrzymywane metodą PVD mogą być alternatywą dla powłok z twardego chromu. Wokół tego problemu zogniskowano badania, których fragment opisano w artykule. Zasadniczym celem tych badań było porównanie właściwości tribomechanicznych powłok jednowarstwowych CrN oraz wielomodułowych i gradientowych CrN/CrCN osadzanych na azotowanych podłożach ze stali 42CrMo4 oraz dodatkowo w przypadku powłok wielomodułowych i gradientowych na podłożach ze stali HS6-5-2.

Słowa kluczowe

Keywords

Bibliografia

[1] Bielawski M.: Hard chromium alternative coatings for aerospace applications. Technical Report LTR-ST-2176. Institute for Aerospace Research, National Research Council Canada (1998).
[2] Bielawski M., Dudziński D., Au P., Patnaik P. C.: Environmentally compliant alternatives to hard chrome and cadmium for aerospace applications. Proceedings of the COM 2002, Canadian Institute of Mining, Montreal, Quebec, Canada (2002) 83÷96.
[3] Hetmańczyk M., Swadźba L., Mendala B.: Advanced materials and protective coatings in aero-engines application. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 24 (1) (2007) 372÷381.
[4] Bell T., Dong H., Sun Y.: Realising the potential of duplex surface engineering. Tribology International 31 (1) (1998) 127÷137.
[5] Batista J. C. A., Godoy C., Matthews A.: Impact testing of duplex and nonduplex (Ti, Al)N and Cr-N PVD coatings. Surface and Coatings Technology 163 (2003) 353÷361.
[6] Lugscheider E., Knotek O., Wolff C., Bärwulf S.: Structure and properties of PVD-coatings by means of impact tester. Surface and Coatings Technology 116 (1999) 141÷146.
[7] Voevodin A. A., Bantle R., Matthews A.: Dynamic impact wear of TiCxNy and Ti-DLC composite coatings. Wear 185 (1) (1995) 151÷157.
[8] Matthews A., Leyland A., Holmberg K., Ronkainen H.: Design aspects for advanced tribological surface coatings. Surface and Coatings Technology 100 (1998) 1÷6.
[9] Navinsek B., Panjan P., Milosev I.: Industrial applications of CrN (PVD) coatings, deposited at high and low temperatures. Surface and Coatings Technology 97 (1997) 182÷191.
[10] Lee D. B, Leea Y. C., Kwon S. C., High temperature oxidation of a CrN coating deposited on a steel substrate by ion plating. Surface and Coatings Technology 141 (2÷3) (2001) 227÷231.
[11] Mydłowska K., Myśliński P., Szparaga Ł., Gilewicz A., Ratajski J.: Analysis of the effect of antiwear CrN coating thickness on the evolution of thermomechanical interactions in the substrate/PVD coating system. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 125 (3) (2016) 1241÷1247.
[12] Ratajski J., Gilewicz A., Bartosik P., Szparaga Ł.: Mechanical properties of antiwear Cr/CrN multi-module coatings. Archives of Materials Science and Engineering 75 (1) (2015) 35÷45.
[13] Bayóna R., Igartua A., Fernández X., Martínez R., Rodríguez J., García J.A., de Frutos A., Arenas M.A., de Damborenea J.: Corrosion-wear behaviour of PVD Cr/CrN multilayer coatings for gear applications. Tribology International 42 (2009) 591÷599.
[14] Polcar T., Martinez R., Vítů T., Kopecký L. Rodriguez R., Cavaleiro A.: High temperature tribology of CrN and multilayered Cr/CrN coatings. Surface and Coatings Technology 203 (2009) 3254÷3259.
[15] Morgiel J., Lackner J. M., Waldhauser W., Kot M., Major B.: Nowe tribologiczne powłoki wielowarstwowe typu Ti/TiN, Cr/CrN — mechanizm zużycia w próbie ball-on-disc. Inżynieria Materiałowa 31 (1) (2010) 46÷49.
[16] Szparaga Ł., Bartosik P., Gilewicz A., Ratajski J.: Optimization of multimodule CrN/CrCN coatings. Archives of Metallurgy and Materials 60 (2) (2015) 1037÷1043.
[17] Szparaga Ł., Myśliński P., Gilewicz A., Ratajski J.: Investigation on the thermomechanical properties of CrN/CrCN gradient coatings using a thermo- dilatometric method. Solid State Phenomena 223 (2015) 100÷109.
[18] Gilewicz A., Murzyński D., Dobruchowska E., Olik R., Ratajski J., Warcholiński B.: Odporność na zużycie i korozję powłok wielowarstwowych CrCN/CrN wytworzonych na azotowanej stali 42CrMo4 metodą katodowego odparowania łukowego. Inżynieria Materiałowa 36 (5) (2015) 286÷290.
[19] Ratajski J., Szparaga Ł.: On transition functions and nonlinearity measures in gradient coatings. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering 54 (1) (2012) 83÷92.
[20] Szparaga Ł., Bartosik P., Gilewicz A., Ratajski J.: Optimization of CrN/ CrCN Gradient Coatings. Solid State Phenomena 237 (2015) 41÷46.
[21] Fuentesa G. G., Díaz de Cerio M. J., García J. A., Martínez R., Bueno R., Rodríguez R. J., Rico M., Montalá F., Qin Yi.: Gradient CrCN cathodic arc PVD coatings. Surface and Coatings Technology 203 (5÷7) (2008) 670÷674.
[22] Zhang M., Li M. K., Kim K. H., Pan F.: Structural and mechanical properties of compositionally gradient CrNx coatings prepared by arc ion plating. Applied Surface Science 255 (22) (2009) 9200÷9205.
[23] Lackner J. M., Major B.: Tailoring of multilayer structure to tribological conditions. Inżynieria Materiałowa 34 (6) (2013) 741÷744.
[24] Archard J.: Contact and rubbing of flat surfaces. Journal of Applied Physics 24 (8) (1953) 981÷988.
[25] Ratajski J., Olik R., Suszko T., Dobrodziej J., Michalski J.: Design, control and in situ visualization of gas nitriding processes. Sensors 10 (1) (2009) 218÷240.
[26] Ratajski J.: Monitoring nitride layer growth using magnetic sensor. Surface Engineering 17 (3) (2001) 193÷200.
[27] Oliver W. C., Pharr G. M.: An improved technique for determining hardness and elastic modulus using load and displacement sensing indentation experiments. Journal of Materials Research 7 (6) (1992) 1564÷1583.
[28] Verein Deutscher Ingenieure Normen, VDI 3198, VDI-Verlag, Dusseldorf (1991).
[29] Vidakis N.: Determination of the fatigue strength of thin hard coatings for the prediction of their life time on hybrid bearings steel races, used in high speed spindles of machine tools. Ph.D. Thesis, Aristoteles University of Thessaloniki, Greece (1997).

Jeśli masz wykupiony/przyznany dostęp - zaloguj się. Skorzystaj z naszych propozycji zakupu!

Publikacja


e-Publikacja (format pdf) - nr 112399 "A comparative research on..." licencja: Osobista Produkt cyfrowy	10.00 zł

Zeszyt


INŻYNIERIA MATERIAŁOWA - e-zeszyt (pdf) 2018-1 licencja: Osobista Produkt cyfrowy	65.00 zł

Prenumerata

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA - prenumerata cyfrowa
licencja: Osobista

Produkt cyfrowy
Nowość

402.00 zł

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA - papierowa prenumerata roczna + wysyłka
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
INŻYNIERIA MATERIAŁOWA - papierowa prenumerata roczna	492.00 zł brutto 455.56 zł netto 36.44 zł VAT (stawka VAT 8%)
INŻYNIERIA MATERIAŁOWA - pakowanie i wysyłka	21.00 zł brutto 17.07 zł netto 3.93 zł VAT (stawka VAT 23%)

513.00 zł

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA - PAKIET prenumerata PLUS
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
INŻYNIERIA MATERIAŁOWA - PAKIET prenumerata PLUS (Prenumerata papierowa + dostęp do portalu sigma-not.pl + e-prenumerata)	600.00 zł brutto 555.56 zł netto 44.44 zł VAT (stawka VAT 8%)

600.00 zł

Zeszyt

2018-1

Twój Koszyk

Publikacja

Zeszyt

Prenumerata

Zeszyt

Czasopisma