بررسی و مطالعه سختی و رفتار سایشی سه پوشش TiN، TiCN و TiN-TiCN-TiN اعمال شده بر روی فولاد ابزار D2 به روش تبخیر پرتو الکترونی EB-PVD

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 مربی، عضو هیئت علمی، دانشکده مهندسی مواد ، موسسه آموزشی عالی غیر انتفاعی صنعتی فولاد، فولاد شهر، اصفهان

2 دانشیار، عضو هیئت علمی، دانشکده مهندسی مواد ، موسسه آموزشی عالی غیر انتفاعی صنعتی فولاد، فولاد شهر، اصفهان

چکیده

در میان پوشش های سخت، پوشش نیترید تیتانیوم (TiN) وکربونیترید تیتانیوم (TiCN) به علت برخوداری از سختی بالا، مقاومت به خوردگی خوب و ضریب اصطکاک کم توانسته‌اند تا بیش از ده برابر باعث افزایش طول عمر یک ابزار گردند. اعمال این دو پوشش بر روی زیر لایه های مختلف می تواند توسط فرآیند های مختلفی صورت گیرد. انتخاب نوع فرایند پوشش‌دهی می‌تواند تا حد زیادی بر ساختار، خواص مکانیکی و رفتار تریبولوژیکی این پوشش‌ها تأثیر گذار باشند. بر اساس مطالعات و بررسی‌های انجام شده تا کنون کار چندانی بر روی مقایسه این دو پوشش هنگامی که به روش EB-PVD (Electron Beam Gun PVD) انجام شده باشد، صورت نپذیرفته است. در این پژوهش پس از اعمال سیکل عملیات حرارتی متداول سخت کردن شامل آستنیته کردن، کوئنچ و تمپر، ابتدا پوشش‌های تک‌لایه TiN و TiCN و چندلایه TiN– TiCN- TiN به روش EB-PVD برروی فولاد ابزار D2 اعمال شد. سپس با استفاده از میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی SEM، نیروی اتمی AFM، دستگاه نانوایندنتور، دستگاه پراش پرتو ایکس و همچنین انجام آزمون گلوله بر روی دیسک، سختی و رفتار تریبولوژی‍‍‍‍‍‍کی دو پوشش TiN و TiCN چه به صورت تک‌لایه و یا چندلایه مورد مطالعه قرار گرفت. تجزیه و تحلیل الگوهای پراش پرتو ایکس در پوشش‌های ایجاد شده و استفاده از رابطه شرر گویای این مطلب است که پوشش‌های ایجاد شده با ضخامتی 2 تا 3 میکرون دارای ساختاری نانو با اندازه دانه در حدود 5 تا 6 میکرون می‌باشند. میزان زبری سطح پوشش‌های ایجاد شده برای پوشش های TiN و TiCN و چندلایه TiN– TiCN- TiN به ترتیب برابر با 12و22و29 نانومتر بدست آمد. نتایج آزمون‌های نانوسختی سنجی و همچنین سایش نشان می‌دهند‌که بالاترین سختی و مقاومت سایشی مربوط به پوشش TiCN و کمترین متعلق به پوشش TiN است در حالی که پوشش چندلایه در بین این دو قرار دارد.

کلیدواژه‌ها


[1]     E. Lugscheider, O. Knotek, C. Barimani & H. Zimmermann, “Arc PVD-coated cutting tools for modern machining applications,” Surface and Coating Technology, Vol. 94-95, PP. 611-646, 1997.

 

[2]     M. Nordin, M. Larsson & S. Hogmark, “Mechanical and tribological properties of multilayered PVD TiN/CrN”, Vol. 232, No. 2, pp. 221-225, 1999.

 

[3]     Azushima, Y. Tanno, H. Iwata & K. Aoki, “Coefficients of friction of TiN coatings with preferred grain orientations under dry condition”, Vol. 265, PP. 1017-1022, 2008.

 

[4]     S. V. Hainsworth & W. C. Soh, “The effect of the substrate on the mechanical properties of TiN coatings”, Surface and Coatings Technology, Vol. 163-164, PP.515-520, 2003.

 

[5]     S. J. Bull, Bhat D. G. Staia & M. H, “Properties and performance of commercial TiCN coatings. Part 2: Tribological performance”, Surface & Coatings Technology, Vol. 163-164, pp. 507-514, 2003.

 

[6]     J. Singh, J. Thomas Schriemp & D. E. Wolfe, “Electron Beam Physical Vapor Deposition Technology: Present and Future Applications”, The Applied Research Laboratory, The Pennsylvania State University, University Park, PA 16804.

 

[7]     J. Singh, “Nano and macro-structured component fabrication by electron beam-physical vapor deposition (EB-PVD)”, journal of materia, Vol. 40, pp. 1– 26, 2005.

 

[8]     S. PalDey & S. C. Deevi, “Single layer and multilayer wear resistant coatings of (Ti,Al)N: a review”, Materials Science and Engineering A, Vol. 342, pp.58-79, 2003.

 

[9]     Y. L. Su & W. H. Kao, “Optimum multilayer TiN-TiCN coatings for wear resistance and actual application”, Vol. 223, pp. 119-130, 1998.

 

[10] ASTM G99-05, “Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus”, ASTM Book of Standards; West Conshohocken, Pa, United States, Vol. 3, 2005.

 

[11] G. A. Fontalvo, R. Humer, C. Mitterer, K. Sammt & I. Schemmel, “Microstructural Aspects Determining the Adhesive Wear of Tool Steels”, Wear, Vol. 260, No. 9-10, pp. 1028 - 1034, 2006.

 

[12] T. Polcar, R. Novak & P. Siroky, “The tribological characteristics of TiCN coating at elevated temperatures”, Vol. 260, pp. 40-49, 2006.

 

[13] P.C. Jindal, A. T. Sathanam, U. Schleinkofer & A. F. Shuster, “Performance of PVD TiN, TiCN, and TiAlN coated cemented carbide tools in turning”, Refractory Metals & Hard Materials, Vol. 17, pp. 163-170, 1999.  

 

[14] C. M. Cotell, J. A. Sprague & F. A. Smist, “ASM Handbook”, Surface Engineering, Second printing, Vol. 5, 1996.

 

[15] M. Ali, E. Hamzah, I. A. Qazi & M. R. M. Toff,” Effect of catholic arc PVD parameters on roughness of TiN coating on steel substrate”, Current Applied Physics, 2009.