ارزیابی تابعیت چسبندگی پوشش PVD-TiN از زبری میانگین و سختی بستره تحت آزمون خراش بار-گسسته

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان

2 دانشگاه صنعتی اصفهان

چکیده

در این پژوهش، تاثیر زبری سطح بستره فولاد زنگ‌نزن 420AISI بر چسبندگی پوشش نیترید تیتانیوم اعمالی به روش نهشت فیزیکی بخار قوس کاتدی به صورت کمی بررسی شده است. در این راستا، از عملیات سنباده و پولیش مکانیکی، ماسه پاشی معمولی و فرسایش سطح با ذرات سیلیس جهت ایجاد زبری بر بستره‌ها استفاده شد. نتایج نشان داد با افزایش زبری بستره، زبری پوشش‌ها بطور مستقیم افزایش می‌یابد، اما برای زبری‌های بسیار کم بستره، اختلاف زبری زیادی بین بستره و پوشش وجود دارد که به دلیل وجود ماکروذرات است. ارزیابی چسبندگی پوشش‌ها بوسیله آزمون خراش نشان داد با افزایش زبری بستره از نمونه پولیش‌شده به نمونه ماسه‌پاشی‌شده، به دلیل اثر سایه برای زبری‌های بالا و همچنین افزایش نقاط بلند سطحی که به عنوان مناطق تمرکز تنش عمل می‌کنند، عرض خراش بیشتر شده و چسبندگی کاهش یافته است. از طرفی، با افزایش سختی بستره‌ نیز مشاهده شد که چسبندگی پوشش‌ها طی آزمون خراش تا حدی افزایش یافته است و عرض خراش کاهش می‌یابد. تطابق بیشتر خواص مکانیکی پوشش و بستره، علاوه بر محدودسازی تغییر شکل پلاستیک در فصل مشترک، از جمله دلایل بهبود چسبندگی طی افزایش سختی بستره بشمار می‌آید.

کلیدواژه‌ها


  1. 1.Mattox, D.M., Surface effects on the growth, adhesion and properties of reactively deposited hard coatings, surface and coatings technology (1996) 8–16.

    1. Xiao, W., Deng, H., Zou, S., Ren, Y., Tang, D., Lei, M., Xiao, C., Zhou, X., et al., Effect of roughness of substrate and sputtering power on the properties of TiN coatings deposited by magnetron sputtering for ATF, Journal of Nuclear Materials 509 (2018) 542–549.
    2. Mubarak, A., Hamzah, E., Toff, M.R.M., Review of physical vapor deposition (PVD) techniques for hard coatings, journal Mekanikal 20 (2005) 42–51.
    3. Lamastra, F.R., Leonardi, F., Montanari, R., Casadei, F., Valente, T., Gusmano, G., X-ray residual stress analysis on CrN/Cr/CrN multilayer PVD coatings deposited on different steel substrates, Surface and Coatings technology 200 (2006) 6172–6175.
    4. Ali, M., Hamzah, E., Qazi, I.A., Toff, M.R.M., Effect of cathodic arc PVD parameters on roughness of TiN coating on steel substrate, Current Applied Physics 10 (2010) 471–474.
    5. Lee, S.-C., Ho, W.-Y., Lai, F.D., Effect of substrate surface roughness on the characteristics of CrN hard film, Materials chemistry and physics (1996) 266–273.
    6. Bromark, M., Larsson, M., Hedenqvist, P., Olsson, M., Hogmark, S., Influence ofsubstrate surface topography on the critical normal force in scratch adhesion testing ofTiN-coated steels, Surface and Coatings Technology (1992) 195–203.
    7. Yadav, B.S., Badgujar, A.C., Dhage, S.R., Effect of various surface treatments on adhesion strength of magnetron sputtered bi-layer Molybdenum thin films on soda lime glass substrate, Solar Energy 157 (2017) 507–513.
    8. Luo, F., Pang, X., Gao, K., Tao, C., Substrate roughness effects on chromium oxide coating adhesion and wear resistance, Advanced Materials Research 97–101 (2010) 1261–1264.
    9. Huang, R., Qi, Z., Sun, P., Wang, Z., Wu, C., Influence of substrate roughness on structure and mechanical property of TiAlN coating fabricated by cathodic arc evaporation, Physics Procedia 18 (2011) 160–167.
    10. Yang, J., Roa, J.J., Odén, M., Johansson-Jõesaar, M.P., Esteve, J., Llanes, L., Substrate surface finish effects on scratch resistance and failure mechanisms of TiN-coated hardmetals, Surface and Coatings Technology 265 (2015) 174–184.
    11. Ravi, N., Markandeya, R., Joshi, S. V., Effect of substrate roughness on adhesion and tribological properties of nc-TiAlN/a-Si3N4 nanocomposite coatings deposited by cathodic arc PVD process, Surface Engineering 33 (2017) 7–19.
    12. Heinke, W., Leyland, A., Matthews, A., Berg, G., Friedrich, C., Broszeit, E., Evaluation of PVD nitride coatings, using impact, scratch and Rockwell-C adhesion tests, Thin solid films 431–438 (1995).
    13. Steinmann, P.A., Tardy, Y., Hintermann, H.E., Adhesion testing by the scratch test method: The influence of intrinsic and extrinsic parameters on the critical load, Thin Solid Films 154 (1987) 333–349.
    14. Favache, A., Sacré, C.-H., Coulombier, M., Libralesso, L., Guaino, P., Raskin, J.-P., Bailly, C., Nysten, B., et al., Fracture mechanics based analysis of the scratch resistance of thin brittle coatings on a soft interlayer, Wear 330–331 (2015) 461–468.
    15. Ebrahimzadeh, I., Ashrafizadeh, F., Sadeghi, B., Scratch and indentation adhesion characteristics of multilayered PVD coatings before and after the heat treatment deposited by duplex process, Surface Topography: Metrology and Properties 7 (2019) 045014.
    16. Sveen, S., Andersson, J.M., M’Saoubi, R., Olsson, M., Scratch adhesion characteristics of PVD TiAlN deposited on high speed steel, cemented carbide and PCBN substrates, Wear 308 (2013) 133–141.
    17. Jayaram, V., Bhowmick, S., Xie, Z.-H., Math, S., Hoffman, M., Biswas, S.K., Contact deformation of TiN coatings on metallic substrates, Materials Science and Engineering: A 423 (2006) 8–13.
    18. Sprute, T., Tillmann, W., Grisales, D., Selvadurai, U., Fischer, G., Influence of substrate pre-treatments on residual stresses and tribo-mechanical properties of TiAlN-based PVD coatings, Surface and Coatings Technology 260 (2014) 369–379.
    19. Steinmann, P.A., Hintermann, H.E., Adhesion of TiC and Ti(C,N) coatings on steel, Journal of Vacuum Science & Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films 3 (1985) 2394–2400.
    20. EI-Shazly, M.H., EI-Sherbiny, M., Matthews, A., Leyland, A., The Effect of Substrate Pretreatment on PVD TiN Hard Coating Performance, Materials and Manufacturing Processes 14 (1999) 257–269.
    21. ISO 4288:1996 Geometrial Product Spectifications (GPS)—Surface Texture Profile Method—Rules and Procedures.
    22. Ashrafizadeh, F., Adhesion evaluation of PVD coatings to aluminium substrate, Surface and Coatings Technology (2000) 186–194.
    23. Salvalaglio, M., Backofen, R., Voigt, A., Thin-film growth dynamics with shadowing effects by a phase-field approach, Physical Review B 94 (2016) 235432.
    24. Zhang, B., Zhou, L., Effect of sandblasting on adhesion strength of diamond coatings, American Society of Mechanical Engineers, Materials Division (Publication) MD 80 (1997) 279–285.
    25. Ostadi, A., Hosseini, S.H., Fordoei, M.E., The effect of temperature and roughness of the substrate surface on the microstructure and adhesion strength of EB-PVD ZrO2-%8wtY2O3 coating, Ceramics International 46 (2020) 2287–2293.
    26. Tillmann, W., Grisales, D., Stangier, D., Effects of AISI H11 surface integrity on the residual stresses and adhesion of TiAlN/substrate compounds, Surface and Coatings Technology 357 (2019) 466–472.