22445

ايجاد پوشش نانوساختار Ti-Al-C-N به روش PACVD بر زيرلايه فولاد ابزار گرم كار H13 و بررسي خواص مكانيكي و سايشي آن

دكتري تخصصي

نانومواد

1399/5/28

دكتر مرتضي تميزي فر - دكتر سيد محمد علي بوترابي

مواد و متالورژي

هدف از پژوهش حاضر، ايجاد پوشش مقاوم به سايش Ti-Al-C-N با استفاده از روش رسوب گذاري شيميايي از فاز بخار به كمك پلاسما (PACVD) و بررسي تأثير متغيرهاي مختلف از جمله نسبت پيش ماده ها و دماي پوشش دهي بر ساختار و خواص مكانيكي و سايشي پوشش هاي بدست آمده و ارتباط ميان ساختار و خواص نهايي پوشش ها است. در اين تحقيق زيرلايه از جنس فولاد ابزار گرم كار (AISI H13 (DIN:1.2344 انتخاب شد. زيرلايه هاي فولادي پس از عمليات حرارتي به مدت 2 ساعت در دماي °C470 تحت عمليات نيتروژن دهي پلاسمايي قرار گرفتند. سپس پوشش هاي نانوساختار TiAlCN با استفاده از روش PACVD بر زيرلايه هاي نيتروژن دهي شده، با تغيير نسبت پيش ماده هاي كلريدي تري كلريد آلومينيوم به تتراكلريدتيتانيوم (x=AlCl3/TiCl4) و دماي پوشش دهي به مدت 3 ساعت و با درصد چرخه كاري 33 و فركانس 10 كيلوهرتز اعمال شدند. مشخصه يابي پوشش هاي اعمال شده با استفاده از آزمايش هاي پراش پرتو ايكس (GIXRD و XRD)، ميكروسكوپ الكتروني روبشي گسيل ميداني (FESEM) و ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM)، طيف‌سنجي تبديل فوريه مادون‌قرمز (FT-IR)، طيف سنجي فوتوالكترون اشعه ايكس (XPS)، طيف سنجي رامان، ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM) و ميكروسكوپ نيروي اتمي (AFM) انجام شد. خواص ريزسختي و نانوسختي پوشش ها توسط آزمايش هاي ريزسختي سنجي ويكرز و نانوسختي سنجي(Nano indentation) به ترتيب و خواص سايشي توسط آزمايش سايش پين بر ديسك مورد بررسي قرار گرفت. نتايج آزمايش هاي GIXRD، XRD، XPS، FTIR، TEM و رامان نشان داد كه پوشش هاي اعمال شده شامل فازهاي بلورين fcc-TiN، fcc-(Ti,Al)(C,N) و w-AlN و فاز آمورف كربني بودند. افزايش x از 0/5 تا 1 در دماي ثابت C 350° منجر به تشكيل ساختار دانه ريزتر (با كاهش 40 درصد) شد. به نظر مي رسد كاهش اندازه دانه مربوط به تشكيل مقدار بيشتري از فاز w-AlN است كه مي تواند به عنوان مكان هاي جوانه زني ناهمگن براي تشكيل فاز fcc-TiN عمل نمايد. سپس با افزايش بيشتر x از 1 تا 3 به دليل تشكيل بيشتر از فاز w-AlN در ساختار، ميانگين اندازه دانه تا 89 درصد افزايش يافت. همچنين مشاهده شد كه ضخامت پوشش ها متأثر از سه پديده رقابت كننده با افزايش x در دماي °C350 تغيير كرد: اول اثر كاهش نرخ واكنش سطح ناشي از اشباع شدن آن از مولكول هاي TiCl4 و AlCl3 كه منجر به كاهش نرخ پوشش دهي مي شود، دوم اثر كاهشي اچ كردن كلر ناشي از افزايش پيش ماده هاي كلريدي و سوم اثر اندازه دانه، بطوري كه بيشترين ضخامت پوشش مربوط به x=0/5 و در حدود μm 2/3 و كمترين ضخامت مربوط به x=1 و در حدود nm 300 بدست آمد. همچنين بالاترين مقدار سختي در ميان پوشش هاي اعمال شده با x هاي متفاوت و در دماي پوشش دهي °C350، براي نمونه با x=0/5 و در حدود HV0.01 3840±40 بدست آمد. در بررسي اثر افزايش دماي پوشش دهي از 350 تا °C500 در x=0/5 مشاهده شد كه علاوه بر افزايش نسبت فاز كربن آزاد در پوشش ها، نسبت شدت پيك Disordered به شدت پيك Graphite (ID/IG) در منحني رامان افزايش يافت كه اين افزايش مي تواند مرتبط با كاهش مقدار پيوندهاي sp3 در فاز كربني تشكيل شده در ساختار پوشش ها باشد. همچنين افزايش دماي رسوب دهي از 350 تا °C425 منجر به كاهش اندازه بلورك از 11 تا nm 9 شد. اين كاهش مي تواند مرتبط با تشكيل بيشتر از فازهاي w-AlN و فاز كربن آمورف در پوشش باشد كه با قرارگرفتن در مرزدانه هاي fcc-(Ti,Al)(C,N) مانع از رشد آن ها مي شوند. افزايش بيشتر دماي رسوب دهي منجر به افزايش اندازه بلورك تا nm 13 شد كه اين افزايش مي تواند مرتبط با پديده رشد دانه در دماي بالاتر باشد. همچنين ضخامت پوشش ها با افزايش دماي پوشش دهي در x=0/5 متأثر از دو پديده رقابت كننده تغيير يافت: اول، كندوپاش بيشتر سطح نمونه به دليل بيشتر بودن بمباران يوني ناشي از افزايش ولتاژ (كه با افزايش دما اتفاق مي افتد) در محيط پلاسما اتفاق مي افتد، دوم: تغيير اندازه دانه، بطوري كه بيشترين ضخامت پوشش مربوط به دماي °C350 و در حدود μm 2/3 و كمترين ضخامت مربوط به دماي °C425 و در حدود μm 1/7 بدست آمد. همچنين در بررسي تأثير دما بر خواص مكانيكي پوشش در x=0/5، مشاهده شد كه بيشترين ريزسختي در دماي °C425 و معادل HV0.01 4040±53 بدست آمد. با توجه به تصاوير FESEM به نظر مي رسد كه مكانيزم جوانه زني و رشد پوشش هاي اعمال شده بصورت لايه اي- جزيره-اي است، با اين تفاوت كه در دماي پوشش دهي °C425 صرفاً تعداد محدودي از جزاير بر لايه اوليه تشكيل شده اند، در حالي كه براي دماي پوشش دهي 350 و °C500 جزاير كل لايه اوليه تشكيل شده را پوشانده اند. نسبت پيش ماده هاي كلريدي و دماي پوشش دهي تأثير قابل توجهي را بر رفتار سايشي پوشش هاي اعمال شده نشان دادند، بطوري كه با افزايش x در دماي ثابت °C350 مقاومت سايشي پوشش ها به دليل كاهش سختي و ضخامت پوشش ها كاهش يافت. مكانيزم جدا شدن پوشش هاي اعمال شده با نسبت پيش ماده هاي كلريدي مختلف از نوع خستگي شناسايي شد. كمترين نرخ سايش ويژه براي پوشش با x=0/5 و در دماي °C350 معادل mg/(N.m) 10-4×1/8 بدست آمد. بالاترين نرخ سايش ويژه نيز مربوط به پوشش اعمال شده در دماي °C350 و x=3 بود كه معادل mg/(N.m) 10-4×3/3 محاسبه شد. همچنين كمترين ضريب اصطكاك براي پوشش اعمال شده در x=0/5 و دماي °C500 معادل 0/16 بدست آمد.

1399/07/16

Evaluation of mechanical and tribological properties of synthesized nanostructured Ti-Al-C-N coating deposited on the H13 hot work tool steel via PACVD method

10/7/2020 12:00:00 AM

The goal of the present research is to develop a wear-resistant Ti-Al-C-N coating using the plasma-assisted chemical vapor deposition (PACVD) and evaluate of the effects of various parameters; such as the ratio of the precursors and the deposition temperature on the structure, mechanical and wear properties of the prepared coatings. In addition, the relationship between the structure and the properties of the coatings was studied. In this study, H13 hot work tool steel substrates (DIN; 1.2344) were used. The steel substrates were subjected to plasma nitriding at 470 ˚C for 2 hours after the heat treatment. Then, the TiAlCN nanostructured coatings were deposited on the as-nitrided substrates using PACVD with the different chloride precursors’ ratio of AlCl3 to TiCl4 (x=AlCl3/TiCl4) and the different deposition temperatures. The coatings were deposited for 3 hours with a duty cycle of 33% and a frequency of 10 kHz. Then the deposited coatings were characterized by the XRD, FESEM, SEM, FT-IR, XPS, Raman spectroscopy, TEM and AFM. The microhardness and nanohardness of the coatings were measured by microhardness and nanoindentation test, respectively and the wear properties of them were investigated through the pin-on-disc wear test method. The results of the GIXRD, XRD, XPS, FT-IR, TEM and Raman analysis showed that the deposited coatings were consisted of the crystalline phases of fcc-TiN, fcc-(Ti,Al)(C,N), and w-AlN in addition to an amorphous carbon phase. Increasing x from 0.5 to 1 at a constant temperature of 350 ˚C led to the formation of a more grain-refined (by a reduction of 40 %) structure. It seems that decreasing the grain size can be related to the formation of a higher amount of the w-AlN phase, which can act as the heterogeneous nucleation sites for the formation of the fcc-TiN phase. Then, increasing x from 1 to 3 led to an increased grain size due to the formation of a higher amount of the w-AlN phase. Moreover, it was observed that the thickness of the coating was affected by three competing phenomena with increasing x at 350 °C: 1) the effect of decreasing the reaction rate owing to saturation of the surface with more TiCl4 and AlCl3 molecules, which results in decreasing the coating’s growth rate; 2) the decreasing effect of etching of chlorine molecules due to increasing the amount of the chloride precursors, and 3) the grain size effect. So that, the maximum coating thickness was 2.3 μm at x=0.5 and the minimum thickness was about 300 nm at x=1. In addition, the highest hardness value of about 3840±40 HV0.01 was measured for the sample with x=0.5 among the deposited coatings at the deposition temperature of 350 °C. Increasing the deposition temperature from 350 °C to 500 °C resulted in the increased amount of free carbon in the coatings and increased intensity ratio of the disordered peak to the graphite peak (ID/IG) in the Raman curve, which can be related to decreased amount of sp3 bonds of the free carbon phase. Also, increasing the deposition temperature from 350 to 425 °C resulted in decreasing of the crystallite size from 11 to 9 nm probably due to the further formation of the w-AlN and amorphous carbon phases. In fact, these phases, which locating at the grain boundaries of fcc-(Ti,Al)(C,N) grains, inhibit the crystallite growth. A further increase in the deposition temperature resulted in increasing the crystallite size to 13 nm. This increase can be related to the grain growth phenomenon at higher temperatures. Moreover, the thickness of the coatings changed with increasing the deposition temperature at x=0.5 due to two competing phenomena: first, the higher sputtering of the coating surface, which occurs due to the higher ion bombardment caused by increasing the voltage (which occurs due to higher temperature) in the plasma environment. Second, the grain size variation. So that the maximum coating thickness (about 2.3 μm) and the minimum coating thickness (about 1.7 μm) were achieved at 350 °C and 425 °C, respectively. Also, it was found that the maximum microhardness value of 4040±53 HV0.01 was obtained at 425 °C among the coatings deposited at x=0.5. According to the FESEM images, it seems that the mechanism of nucleation and growth of the deposited coatings is layered-island. However, for the coating deposited at the temperature of 425 °C, only a limited number of islands formed on the initial layer whereas, for the ones deposited at the temperatures of 350 °C and 500 °C, the islands covered the whole initial layer. The change of the chloride precursors’ ratio and deposition temperature affected the wear behavior of deposited coatings. The results showed that increasing x in the constant temperature of 350 °C, decreased the wear resistance of coatings due to the hardness and the thickness reduction. The delamination mechanism of deposited coatings by various chloride precursors’ ratio was recognized as fatigue type. The least specific wear rate of 1.8 × 10-4 mg/(N.m) was measured for the coating deposited at 350 °C with the x of 0.5. Also, the highest specific wear rate of 3.3 × 10-4 mg/(N.m) was related to the deposited coating at 350 °C with the x of 3. Besides, the smallest coefficient of friction of 0.16 was attained for the coating deposited at 500 °C and the x of 0.5.