مقاله مقایسه رفتار تریبولوژیکی TiN و TiCN و CrN در دماهای مختلف

[Peyman 16150]

توجه : برداشت از مطالب این تاپیک تنها با ذکر منبع آن مجاز می باشد. ( http://www.noandishaan.com )

 

 

عنوان مقاله : مقایسه رفتار تریبولوژیکی TiN و TiCN و CrN در دماهای مختلف

 

مقدمه

 

خواص مکانیکی و پارامترهای تریبولوژیکی پوشش های TiN ، به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین عملکرد سایشی پوشش های TiN در دمای بالا و اثر افزایش دما در رفتار تریبولوژیکی این پوشش بر روی فولاد زنگ نزن نیز در مقالات متعددی مورد بحث قرار گرفته است. در این زمینه مطالعاتی با استفاده از تماس لغزشی خشک میان پوشش و ساچمه سرامیکی Si3 N4 انجام شده است. این پژوهش ها با استفاده از تریبومتر پین بر روی دیسک در دماهایی در 600 درجه سانتیگراد به انجام رسیده است. در دمای بالای 100 درجه سانتیگراد نخستین شیارها که حاصل از افزایش نرخ سایش پوشش هستند، ظاهر می شود. سایش از نوع تغییر شکل داکتیل، مکانیزم غالب در دمای 600 درجه سانتیگراد است که به علت نرم شدن پوشش و زیرلایه ناشی از حرارت بالا صورت می گیرد. رخداد اکسیداسیون در دمای بالای 400 درجه سانتیگراد، اثر روانکاری را در پوشش ایجاد می کند.

 

 

 

 

پوشش های TiCN سختی بالایی دارند. همچنین آنها دارای پایداری شیمیایی و گرمایی بسیار خوبی می باشند. از این پوشش ها در صنعت به منظور ارتقاء مقاومت سایشی در مواردی مثل ابزارآلات برشی استفاده می شود. اخیرا روش هایی بر مبنای فرآیند PVD گسترش یافته است که این امکان را به ما می دهد تا پوشش هایی با مقاومت سایشی بهتری تولید کنیم. مورفولوژی، ساختار، ترکیب و آرایش TiCN در مطالعات متعددی مورد بررسی قرار گرفته است. این مطالعات نشان می دهد که TiCN محلول جامدی از TiN و TiC می باشد که مجموعه ای از مزایا و مشخصات این دو را دارد. در کل TiCN از TiN بسیار بهتر عمل می کند که این امر به خاطر سختی بالاتر و نیز به دلیل نقش کربن به عنوان روانکار است، که باعث کاهش سایش و اصطکاک می شود.

 

 

 

 

رفتار تریبولوژیکی را می توان در زمینه های مختلفی مورد بررسی قرار داد؛ مثل زیرلایه، روش لایه گذاری، استوکیومتری پوشش، ضخامت پوشش، چسبندگی پوشش به زیر لایه، شرایط کاری و ... . اگرچه هنوز اثر دما بر پوشش ها و عمر سایشی آن ها به طور کامل مورد بررسی قرار نگرفته است.

 

پوشش های CrN کمترین دمای ممکن را برای تشکیل پوشش نیاز دارد. برخی مقالات در ارتباط با پایه فیزیکی و خواص مکانیکی این فیلم ها تهیه شده اند. اخیرا نیز مطالعات متمرکزی در جهت بررسی مقاومت ضد اکسیدی و ضد خوردگی این پوشش ها به عمل آمده است. دلیل روشنی وجود دارد که این فیلم ها در بعضی موارد بهتر از TiN عمل می کنند، خصوصا به خاطر میکرو سختی بالاتر و چقرمگی بیشتر آن. تحقیقاتی که در مورد عملکرد سایشی فیلم CrN انجام شده است، نشان می هد که این فیلم مقاومت سایش بهتری نسبت به TiN از خود نشان می دهد.

 

 

 

 

باید توجه داشت که در بسیاری از کاربردهای مهم مهندسی در ارتباط با پوشش ها که در آنجا دما از 100 درجه سانتیگراد تجاوز می کند، رفتار تریبولوژیکی پوشش های مختلف، و به خصوص رفتار سیستم های پوشش – زیر لایه در دماهای بالا، به طور مطلوبی تاکنون توصیف شده است. هدف این مقاله نشان دادن این موضوع است که عملکرد تریبولوژیکی پوشش های TiN و TiCN و CrN که به طور گسترده ای در کاربردهای مختلف صنعتی استفاده می شوند، در ارتباط با رفتار سایشی و اصطکاکی آن ها در دمای بالا می باشد.

 

 

 

 

[Peyman 16150]

روش انجام آزمایش

 

تمامی نمونه ها بر روی زیرلایه ای از فولاد سخت شده با سختی 62 RC تهیه شده اند. زیرلایه با استفاده از استاندارد Brush Paper آلومینا، پولیش و در نهایت با استفاده از خمیر الماسه زبری سطح آن ها به Ra = 30 nm رسیده است.

 

آزمایش های لغزش با استفاده از یک تریبومتر دمای بالا از نوع پین بر روی دیسک انجام شده است. ساچمه ها از جنس فولاد 100Cr6 و یا سرامیک Si3 N4 با قطر 6 mm می باشد. آزمایش تا دمای حدودا 500 درجه سانتیگراد انجام شده است. تمامی اندازه گیری ها تحت شرایط یک نیروی 5 نیوتونی و یک سرعت خطی 4 متر بر ثانیه انجام شده است. رطوبت نسبی در هوا در حدود 40±5% بوده و شعاع دایره مسیر حرکت در محدوده 3 تا 6 میلیمتر در حال نوسان است. به همین دلیل در این گزارش، وابستگی ضریب اصطکاک به تعداد سیکل های انجام شده، مورد بررسی قرار می گیرد. زیرا که در صورت استفاده از طول مسیر لغزش یافته، نمی توان منحنی اصطکاک را در شعاع های مختلف لغزش بدست آورد. استاندارد تعداد سیکل ها 5000 دور می باشد.

 

پوشش های TiN و CrN با استفاده از دستگاه HTC-35 (دو کاتدی) با تکنولوژی قوس، لایه گذاری شده است. قبل از لایه گذاری، محفظه دستگاه تا فشار 10-3 pa تخلیه می شود و فشار لایه گذاری در حدود 0.1 pa می باشد. دمای زیر لایه برای لایه گذاری TiN در حدود 450 درجه سانتیگراد است. در طی لایه گذاری CrN دمای زیر لایه 200 درجه سانتیگراد و ولتاژ بایاس 70 ولت است. زمان لایه گذاری نیز 10 ساعت می باشد. نمونه های TiCN بوسیله دستگاه اسپاترینگ مگنترون نامتوازن، در دمای 450 درجه سانتیگراد تهیه شده اند. لایه گذاری در اتمسفری مخلوط از نیتروژن و آرگون شروع می شود. سپس گاز استیلن مرحله به مرحله به مخلوط گازی اضافه می شود و ترکیب نزدیک به سطح درجه بندی می شود.

 

حجم ساییده شده ساچمه ها بوسله میکروسکوپ نوری مورد ارزیابی قرار می گیرد. سطح ساییده شده نیز بوسیله میکروسکوپ SEM ، آنالیز EDX و میکروسکوپ نوری مورد بازرسی قرار می گیرد. پروفایل شیارهای سایشی نیز بوسیله دستگاه پروفیلومتر مکانیکی اندازه گیری می شود. نرخ سایش ساچمه و پوشش طبق رابطه زیر محاسبه می گردد:

 

K = V/ W.S

 

که در رابطه بالا، V حجم ساییده شده (بر حسب متر مکعب)، W نیروی وارده (N) و S طول مسافت لغزش (m) است.

 

 

 

 

[Peyman 16150]

نتایج

 

نحوه قرارگیری نمونه های در دستگاه لایه گذاری به نحوی است که همگنی در ضخامت و لایه ایجاد شده برقرار گردد. ضخامت پوشش TiN و CrN در حدود 10µm است. هر دو پوشش چسبندگی خوبی را ارائه می دهند به نحوی که نیروی بحرانی برای CrN برابر 50 نیوتن و برای TiN بیش از 70 نیوتن است. ارزیابی میزان چسبندگی به کمک آزمایش راکول C ، برای نمونه CrN عالی بوده (درجه 1) که البته بعد از چند ساعت این میزان کاهش یافته و به نحوی که درجه 3 واقع گرایانه تر می باشد. در عین حال پوشش TiCN چسبندگی خیلی خوبی از خود نشان داد. ( نیروی بحرانی 60 نیوتنی و درجه 1 در آزمون راکول C ) ضخامت پوشش TiCN در حدود 1.7µm بود.

 

1- رفتار اصطکاکی و سایشی پوشش ها هنگام لغزش در مقابل ساچمه 100Cr6

 

شکل زیر نشان دهنده تغییرات ضریب اصطکاک برای TiCN ، TiN و CrN در لغزش در برابر ساچمه 100Cr6 می باشد که بر حسب تابعی از تعداد سیکل های لغزش برای این سه پوشش در دماهای 25 ، 100 ، 200 درجه سانتیگراد رسم شده است. TiCN با ساچمه فولادی تا حدود دمای 210 درجه سانتیگراد ، TiN تا حدود 270 درجه سانتیگراد و CrN تا حدود دمای 500 درجه سانتیگراد مورد آزمایش قرار گرفته اند.

 

 

 

 

منحنی اصطکاک پوشش TiCN را می توان به دو قسمت تقسیم کرد. قسمت اول بیانگر ناحیه آب بندی یا Running-in می باشد، در صورتیکه قسمت دوم نشان دهنده سایش در یک حالت پایدار می باشد. قسمت Running- in بوسیله افزایش شدید ضریب اصطکاک در مقادیر بالای 0.53 مشخص می شود. ضریب اصطکاک بعد از حدود 700 سیکل کاهش می یابد. این قسمت تقریبا مستقل از دما می باشد. مقدار ضریب اصطکاک در طی مرحله سایش پایدار با افزایش دما، بالا می رود. کاهش ضریب اصطکاک پس از Running-in به خوبی در مورد CrN مشاهده می شود. با این حال ضریب اصطکاک به سرعت به رده های بالا باز خواهد گشت. آزمایش TiN هرگونه کاهش قابل توجه ضریب اصطکاک را در طی آزمایش نشان نمی دهد و مقدار اندکی افزایش اصطکاک را با افزایش دما خواهیم داشت.

 

برای TiN و CrN میانگین مقدار ضریب اصطکاک برابر خواهد بود. در حالیکه برای TiCN به مقدار قابل توجهی کمتر است. وابستگی ضریب اصطکاک حقیقی بعد از 4000 سیکل با دما در شکل زیر نشان داده شده است.

 

 

 

 

 

ادامه دارد ....

[Peyman 16150]

شکل زیر نرخ سایش پوشش های TiN و TiCN را نشان می دهد. نرخ سایش TiCN به تدریج از دمای 150 درجه سانتیگراد با بالا افزایش می یابد. در مورد پوشش TiN اولین سایش اندازه گیری شده در دمای 120 درجه سانتیگراد است.

 

 

 

 

مقدار فلز منتقل شده از ساچمه بر روی پوشش های TiN و TiCN و تاثیر آن بر روی نرخ سایش این دو پوشش قابل چشم پوشی است. در عین حال انتقال ماده از ساچمه به سطح پوشش CrN بسیار زیاد بوده و سطح پوشش بوسیله لایه ای از فلز ساچمه بصورت اکسید شده پوشانده شده است. اندازه گیری های پروفیلومتر نشان می دهد که ضخامت لایه منتقل شده متناسب با دما افزایش می یابد و در دمای 500 درجه سانتیگراد به 7 میکرومتر می رسد. بنابراین نرخ سایش ساچمه بسیار بالا است. شکل زیر نرخ سایش ساچمه را بر روی سه پوشش TiN ، TiCN ، CrN نشان می هد.

 

 

 

 

پس از انجام آنالیز ذرات سایشی بجای مانده بر روی پوشش CrN معلوم شد که این ذرات فقط حاوی ماده ساچمه خصوصا اکسید آهن می باشند. بنابراین پوشش های CrN به عنوان سطح ساینده ساچمه فولادی عمل می کند. در عین حال ساچمه لغزش داده شده بر روی پوشش TiN به طور کامل تحت پوشش ذرات سایشی قرار گرفته است؛ در حالیکه سطح ساچمه برای پوشش های دیگر تمیز بوده است.

 

از میکروسکوپ نوری و SEM برای آنالیز خطوط سایش پوشش ها و برای تعیین مکانیزم سایش حاکم در دماهای مختلف آزمایش استفاده شده است. مطالعات انجام شده نشان داد که خطوط سایش بر روی پوشش های TiN و TiCN از دمای اتاق تا 200 درجه سانتیگراد بسیار صاف و Smooth هستند. بنابراین این پوششها متحمل سایش خفیف در دمای زیر 200 درجه سانتیگراد و به علت تغییر فرم پلاستیک می باشند. آنالیز SEM اکسیداسیون پوشش های آزمایش شده را در بالای دمای 200 درجه سانتیگراد نشان نمی دهد. میکروگراف های SEM از خطوط سایش در شکل زیر نشان داده شده است.

 

 

 

 

 

ادامه دارد ....

[Peyman 16150]

2- مشخصات سایشی و اصطکاکی در مقابل ساچمه Si3N4

 

نتایج بدست آمده برای پوششهای TiCN نشان می دهد که به علت وجود فاکتورها متعدد و پیچیده، ضریب اصطکاک شدیدا وابسته به دما است. افزایش دما تا 300 درجه سانتیگراد منجر به افزایش شدید ضریب اصطکاک می شود و کاهش دما تا درجه حرارت اتاق باعث کاهش ضریب اصطکاک به 0.22 می شود. رفتار TiN نیز به همین ترتیب است. آنالیز SEM نشان می دهد که اکسیداسیون شدید پوشش TiCN در دمای بالای 300 درجه، به علت ایجاد گونه ای اکسید TiOx در سطح پوشش می باشد. مطالعات پیشین نشان می دهند که ترکیبات TiOx در شرایط سایش لغزشی خاصیت روانکاری دارند. بنابراین تشکیل اکسید تیتانیوم در خطوط سایشی ضریب اصطکاک را در دمای 400 درجه سانتیگراد کاهش می دهد. همچنین ضریب اصطکاک کروم در دمای 25 درجه سانتیگراد به حداکثر میزان خود می رسد. کاهش ضریب اصطکاک در دماهای بالاتر ممکن است به دلیل تشکیل لایه اکسید کروم باشد. شکل های زیر منحنی اصطکاک و میکروگراف های SEM از شیارهای سایشی را برای هر سه پوشش نشان می دهد. وجود اکسید کروم بوسیله آنالیز EDX نیز تایید شده است.

 

 

 

 

 

 

نرخ سایش ساچمه سرامیکی بر روی TiCN در دمای 25 درجه سانتیگراد در مقایسه با ساچمه فولادی خیلی کمتر می باشد و به حدود 0.13 در 10 به توان -6 (mm3/Nm) می رسد و با افزایش دما نیز به شدت کاهش می یابد. مقادیر اندازه گیری شده نشان می دهد که نرخ سایش ساچمه های سرامیکی در مورد پوشش های CrN حداقل دو مرتبه کوچکتر از سایش ساچمه فولادی است.

 

با وجود ظاهرشدن خراشهای کم عمق موازی، شیارهای سایشی بر روی پوشش TiCN ، به نظر می رسد تقریبا همانند شیارها ایجاد شده به وسیله ساچمه فولادی تا دمای 200 درجه باشد. بنابراین مکانیزم سایش پولیشی رخ داده است. تعداد این خراش ها و خصوصا عمق آن ها با افزایش دما زیاد می شود و خراش های سایشی خیلی زبرتر می شوند. این بدین معنی است که در محدوده دمای 300 تا 500 درجه سانتیگراد مکانیزم اصلی سایش شکست لایه فیلم و نیز لایه ای شدن در پوشش های TiCN می باشد. مشاهدات SEM نشان می هد که اولین عیوب موضعی در دمای 400 درجه سانتیگراد ظاهر می شود و در دمای 500 درجه سانتیگراد پوشش TiCN از زیر لایه جدا می شود.

 

 

 

 

ادامه دارد ....

[Peyman 16150]

نرخ سایش TiN با افزایش دما بالا می رود. شیارها سایشی در تمام محدوده دمایی صاف و هموار هستند و هیچ نشانه ای از انتقال ماده از ساچمه بر اثر سایش مشاهده نمی شود. مقایسه میان پوشش های تست شده نشان می دهد که سایش TiN با TiCN برابری می کند اما به مقدار قابل توجهی از CrN کمتر می باشد. (شکل زیر)

 

 

 

 

نرخ سایش پوشش های CrN که در برابر ساچمه سرامیکی لغزش داده شده است با افزایش دما بالا می رود. در عین حال نرخ سایش این پوشش در دمای اتاق قابل چشم پوشی است. سطح اثر سایش در دمای اتاق تا 100 درجه سانتیگراد نسبتا هموار و صاف و تخت است بنابراین مکانیزم سایش در این محدوده دمایی سایش پولیشی است. همچنین هیچ اثری از انتقال ماده از ساچمه بر روی سطح ساییده شده مشاهده نمی شود. در عین حال ذرات سایشی شامل سیلیکن و اکسید کرم بر روی سطح پوشش و در هر دو طرف شیارهای سایشی قابل مشاهده هستند. کاهش نرخ سایش در دمای 400 درجه سانتیگراد را می توان به وسیله حضور اکسید کروم توجیه کرد که به ایجاد یک فیلم اضافی محافظ بر روی سطح ساییده شده کمک می کند و ضریب اصطکاک را کاهش می دهد. اگرچه فاکتورهای دیگری نظیر نرم شدن پوشش بر روی زیر لایه ، چسبندگی، فعل و انفعالات شیمیایی، پوشش سطحی با ماده ساچمه، به وجود آمدن خلل و فرج در پوشش و ... در این میان نقش دارند.

 

 

 

 

[Peyman 16150]

نتیجه گیری

 

در این مقاله رفتار اصطکاک و سایش پوشش های TiN و CrN که بوسیله رفتار رسوب گذاری ولتاژ پایین و پوشش TiCN که به وسیله روش اسپاترنگ مگنترون تهیه شده اند در دماهای مختلف مورد بررسی قرار گرفت. رفتار تریبولوژیکی، مقدار نرخ سایش ساچمه ها و پوشش ها، ضریب اصطکاک و اکسیداسیون و ... ارزیابی شد و نتایج زیر به دست آمد:

 

• لغزش بر خلاف ساچمه 100Cr6 : ضریب اصطکاک برای پوشش های TiN و TiCN با افزایش دما اندکی افزایش می یابد. در عین حال برای پوشش CrN مقدار ضریب اصطکاک در حد فاصل دمایی 100 تا 300 درجه به حداکثر خود در دمای 500 درجه به حداقل خود می رسد. نرخ سایش پوشش TiN در دماهای بالاتر از 100 درجه سانتیگراد قابل اندازه گیری می باشد. نرخ سایش برای پوشش های TiN و CrN با افزایش دما افزایش می یابد و به علت تغییر فرم پلاستیک در محدوده سایش خفیف قرار خواهیم گرفت. نرخ سایش پوشش CrN در مقابل سایش ساچمه قابل اغماض است. در نتیجه بواسطه نرخ سایش بالای ساچمه فولادی، انتقال ماده زیادی از سطح ساچمه بر روی پوشش CrN انجام می شود.

 

• لغزش بر خلاف ساچمه Si3N4 : برای پوشش های CrN ، ضریب اصطکاک با افزایش دما بالا می رود و برای پوشش های TiN و TiCN رفتار پیچیده ای وجود دارد. با افزایش دمای به بالاتر از 300 درجه سانتیگراد، نرخ سایش پوشش های CrN افزایش می یابد. قسمت هایی از پوشش های TiN و TiCN در دماهای بالا از روی زیرلایه کنده می شود. در این شرایط به دلیل تغییر فرم پلاستیک سایش خفیف خواهیم داشت. مقاومت به سایش پوشش های CrN در فاصله دمایی 100 تا 400 درجه سانتیگراد با یک فاکتور 20 تا 80 برابر پایین تر از پوشش های TiN و TiCN می باشد. در دمای بالای 300 درجه در تمامی پوشش ها اکسیداسیون اتفاق می افتد.

 

 

 

 

 

:icon_gol:

[hbz7011 10]

سلام

میتوانید متن کامل این مقاله یا پایان نامه آن را در اختیار من قرار بدهید؟

با تشکر