Charakterystyka właściwości mechanicznych powłoki azotku tytanu na stopie aluminium z wykorzystaniem próby zarysowania i zgładów sferycznych

Charakterystyka właściwości mechanicznych powłoki azotku tytanu na stopie aluminium

z wykorzystaniem próby zarysowania i zgładów sferycznych

Marek Betiuk

, Michał Tacikowski

, Przemysław Kobus

, Krzysztof Kulikowski

, Jerzy Smolik

1Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa, ²Politechnika Warszawska,

3Instytut Technologii Eksploatacji – PIB, Radom, *betiuk@imp.edu.pl

Examinations of mechanical properties of titanium nitride coating on aluminium alloy using the scratch test and spherical microsection methods

Owing to low density and other advantageous properties and relatively affordable price the aluminium alloys are widely used in many sectors of science and industry, allowing for significant weight reduction of products. However, their relatively poor surface properties, including low hardness and poor resistance to friction wear significantly limit the variety of their applications. In the light of own research results and the literature data, covering of aluminium alloy surfaces with nitride coatings deposited using PVD methods seems to be one of promising solutions, as such surfaces allow using parts in the conditions of increased mechanical stresses, particularly the tribological ones. However, the unquestionable limitation which affect the mechanical behaviour of nitride coatings on aluminium alloys under load, particularly the adhesion, comes from the specific features of hard PVD coating–soft substrate system which is characterized by considerable, sudden change of properties and adhesive nature of connection with the substrate. The paper presents examinations of two systems of titanium nitride coatings on selected aluminium alloys from the duralumin group, designed for precipitation hardening. The areological system of Al alloy–TiN-Ti type sublayer (including the aspect of heat treatment)–TiN layer and the system of Al alloy–TiN-Ti-Al type sublayer–TiN layer were examined. The purpose of examinations was to obtain the advanced characteristics of the TiN coating–aluminium alloy substrate system behaviour using the Recatest method based on the scratch test. The essence of this method is the analysis of precise spherical microsections made in different points within the scratch area. The examinations of coating systems on selected aluminium alloys proved that the Recatest method is usable for visualisation of subtle behaviour of hard coating–plastic substrate systems during scratch test and for simultaneous revealing of differences in scratching of various versions of titanium nitride layers deposited on aluminium alloys. Among other things, the examinations demonstrated the relatively good plasticity of titanium nitride coatings and favourable influence of heat treatment and aluminium midlayer on the adhesion of coatings to the substrate and, in consequence, cohesion of the hard nitride–plastic substrate system in scratching conditions.

Key words: aluminium alloys, aluminium, titanium nitride, coatings, PVD methods, scratch test, spherical microsection, Recatest method.

Ze względu na małą gęstość i inne korzystne właściwości oraz relatywnie przystępną cenę stopy aluminium są szeroko stosowane w różnorodnych ob- szarach w technice, umożliwiając znaczną redukcję masy wyrobów. Słabe właściwości powierzchniowe, w tym w zwłaszcza mała twardość i odporność na zużycie przez tarcie, stanowią ograniczenie dla ich jeszcze szerszego wykorzystania. W świetle wyników badań własnych i danych literaturowych wytwarzanie na stopach aluminium metodami PVD warstw powierzchniowych azotków umożliwiających ich wykorzystanie w warunkach zwiększonych narażeń mechanicznych, w tym zwłaszcza tribologicznych, wydaje się jednym z perspektywicznych rozwiązań Niewątpliwym ograniczeniem rzutującym na zachowania mechaniczne powłok azotków na stopach aluminium pod obciążeniem, zwłaszcza ich przyczepność, jest specyfika układu twarda powłoka PVD–miękkie podłoże, które cechuje duża, skokowa zmiana właściwości oraz adhezyjny charakter połączenia z podłożem. W pracy podjęto badania dwóch układów powłok azotku tytanu typu TiN na wybranych stopach aluminium do utwardzania wydzieleniowego z grupy durali. W badaniach analizowano system arologiczny stop Al–podwarstwa typu TiN-Ti (w tym w aspekcie wpływu obróbki cieplnej)–TiN oraz stop Al–podwarstwa typu TiN-Ti-Al–TiN.

Przedmiotem badań była próba zaawansowanej charakterystyki metodą Recatest zachowań układu powłoka azotku tytanu–podłoże ze stopu aluminium na podstawie próby zarysowania. Istotą tej metody jest analiza precyzyjnych zgładów sferycznych wykonanych w różnych miejscach rysy. Przeprowadzone analizy badanych układów powłok na wybranych stopach aluminium wykazały przydatność metody Recatest do wizualizacji subtelnych zachowań układu twarda powłoka–plastyczne podłoże w warunkach próby zarysowania, ujawniając przy tym różnice przebiegu zarysowania poszczególnych wariantów powierzchniowych warstw azotku tytanu na stopach aluminium. Badania wykazały relatywnie dobrą plastyczność powłok azotku tytanu oraz korzystny wpływ obróbki cieplnej i pośredniej powłoki aluminium na przyczepność powłok do podłoża, a w konsekwencji spójność układu twardy azotek–plastyczne podłoże w warunkach zarysowania.

Słowa kluczowe: stopy aluminium, aluminium, azotek tytanu, powłoki, metoda PVD, próba zarysowania, zgład sferyczny.

Inżynieria Materiałowa 3 (205) (2015) 148÷152 DOI 10.15199/28.2015.3.11

© Copyright SIGMA-NOT WWW.SIGMA-NOT.PL

MATERIALS ENGINEERING

1. WPROWADZENIE

Mała gęstość, łatwość obróbki mechanicznej, plastycznej i ciepl- nej oraz relatywnie przystępna cena stopów aluminium sprawiają, że obszar zastosowań w różnorodnych dziedzinach techniki jest duży. Barierą ograniczającą stosowanie stopów aluminium są mała twardość i odporność na zużycie przez tarcie. W świetle wyników badań własnych i danych literaturowych [1÷3] jednym z perspek- tywicznych rozwiązań jest wytwarzanie na stopach aluminium i magnezu metodami PVD warstw powierzchniowych azotków

umożliwiających ich wykorzystanie w warunkach zwiększonych narażeń mechanicznych, w tym zwłaszcza tribologicznych. Nie- wątpliwym ograniczeniem rzutującym na zachowania mechaniczne powłok azotków na stopach aluminium pod obciążeniem, zwłasz- cza ich przyczepność, jest jednak specyfika układu twarda powłoka PVD–miękkie podłoże, które cechuje duża, skokowa zmiana wła- ściwości oraz adhezyjny charakter połączenia z podłożem.

W pracy podjęto badania dwóch układów powłok: azotek tyta- nu na stopie aluminium (TiN/PA 29) oraz azotek tytanu z podwar- stwą tytanu na stopie aluminium (TiN/Ti/PA29) do utwardzania

wydzieleniowego z grupy durali. Analizowano system areologicz- ny stop Al–warstwa typu TiN-Ti. Badania wytworzonych systemów areologicznych przeprowadzono metodą Recatest. Istotą tej metody jest analiza precyzyjnych zgładów sferycznych wykonanych w róż- nych miejscach rysy. Umożliwia to wizualizację subtelnych za- chowań układu twarda powłoka–plastyczne podłoże w warunkach próby zarysowania, ujawniając przy tym różnice przebiegu zaryso- wania poszczególnych wariantów powierzchniowych warstw azot- ku tytanu na stopie PA29

2. MATERIAŁ I METODY BADAŃ

Badania przeprowadzono na dwóch systemach areologicznych wytworzonych na stopie aluminium PA29 (tab. 1) z warstwą TiN grubości 3,5 µm. Pierwszy system TiN/PA29 tworzy powłoka TiN uzyskana technologią PVD-Arc na stopie PA29 w stanie dostawy (starzenie, walcowanie). Drugi system powstaje przez dodatkową obróbkę cieplną systemu TiN/PA29 po procesie syntezy TiN. Ob- róbka cieplna po procesie PVD-Arc składała się z:

– przesycania: temperatura 520°, grzanie 2°C/min, czas 120 min, – starzenia: temperatura 120°C, czas 10 h, chłodzenie z piecem.

W badaniach stosowano próbki o wymiarach 10×25×3 mm ob- robione mechanicznie (Ra – 0,63. Rz – 1,2).

W celu oceny właściwości mechanicznych systemów aerolo- gicznych przeprowadzono badania twardości Vickersa HV0,05 oraz wykonano próbę zarysowania pod narastającym obciążeniem od 0 do 25 N. Podstawą charakterystyki jakościowej i ilościowej mikrostruktury areologicznych systemów powłokowych o oznacze- niach TiN/PA29 i TiN/PA29 OC były badania:

– metalograficzne – mikroskop świetlny i elektronowy skaningo- wy (SEM),

– Recatest – stanowisko badawcze Kulotester.

2.1. Ocena jakości mechanicznej systemów aerologicz- nych metodą Recatest

Metoda Recatest umożliwia precyzyjną ocenę struktury systemu areologicznego [4, 5]. Zasada metody Recatest wynika z połączenia próby zarysowania i szlifu sferycznego [5]. Istotą metody Recatest jest wykonanie zgładu sferycznego w obszarze wcześniej wyko- nywanych rys na powierzchni badanego systemu areologicznego.

Zgład w obszarze rysy umożliwia prowadzenie precyzyjnych analiz zmian geometrii struktury odkształcanego systemu areologicznego w funkcji głębokości penetracji i siły oddziaływania penetratora.

Na podstawie pomiarów cech geometrycznych na powierzchni zgładu sferycznego (rys. 1) nieodkształconego i odkształconego powłokowego systemu areologicznego TiN/Ti/PA29, tj.: grubości powłoki nie odkształconej g_p, głębokości dna rysy g_r, głębokości występowania (zalegania) powłoki TiN/Ti pod dnem rysy g_wp,wy- sokości wypływek: pierwszej na powierzchni powłoki h_w i drugiej pod powłoką h_wp jest możliwe ustalenie przebiegu zmian tych wiel- kości w badanym zakresie sił.

3. WYNIKI BADAŃ I ICH ANALIZA 3.1. Badania metalograficzne i SEM

Mikrostrukturę powłoki TiN na powierzchni stopu aluminium PA29 dla wariantów technologicznych bez obróbki i z obróbką

cieplną po procesie PVD-Arc pokazano na obrazach zgładów me- talograficznych prostopadłych (rys. 2a, 3a) i sferycznych (rys. 2b, 3b). Powłoka TiN ma grubość 4±0,2 μm (rys. 2). Pod powłoką wy- stępuje szara warstwa Ti wytworzona w pierwszym etapie procesu PVD-Arc rozpylania jonowego tytanem. W procesie tym docho- dzi do usuwania warstw tlenkowych i osadzania powłoki tytanu.

W strukturze powłoki TiN ujawnionej na zgładach sferycznych występują liczne mikropory i krople. Budowa ta jest typowa dla po- włok otrzymanych technologią syntezy w plazmie łuku niskociśnie- niowego. Mikrostruktura ujawnionych na zgładzie sferycznym stref międzywarstw zlokalizowanych na granicach TiN → Ti → PA29 ma charakter ciągły, pozbawiony złuszczeń i wykruszeń, co świad- czy o dobrej adhezji warstw w powłoce wielowarstwowej i do ma- teriału podłoża.

Badania za pomocą mikroskopu elektronowego skaningowego potwierdzają występowanie licznych kropel i kraterów w strukturze powłoki TiN (rys. 4)

3.2. Jakość mechaniczna powłok

3.2.1. Badania twardości

Przeprowadzono badania twardości HV0,05 materiału PA29 w sta- nie dostawy, po procesie wytworzenia powłoki TiN oraz po wtórnej obróbce cieplnej tego systemu areologicznego. Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 2.

Stop aluminium PA29 w stanie wyjściowym bez utwardzenia dyspesyjnego miał twardość wynoszącą 169 HV0,05. Oddziały- wanie cieplne strumienia plazmy w procesach trawienia jonowego Tabela 1. Skład chemiczny stopu PA29, % mas.

Table 1. Chemical composition of PA29 alloy, wt %

Cu Mg Si Ni Fe Ti Al

1,9÷2,5 1,4÷1,8 0,5÷1,2 1÷1,5 1,1÷1,8 0,2 reszta

d c

b a

Rys. 1. Powłoka odkształcona w obszarze rysy: a) schemat przekro- ju poprzecznego w obszarze rysy, b) struktura odkształconej powłoki ujawniona na powierzchni zgładu sferycznego; g_p – grubość powłoki, h_w – wysokość wypływki, g_r – głębokość rysy, g_wp – głębokość wciśnię- cia powłoki

Fig. 1. Deformed coating within scratch area: a) perpendicular microsec- tion scheme within scratch area, b) structure of deformed coating on sur- face of spherical microsection; g_p – coating thickness, h_w – flash height, g_r – scratch depth, g_wp – coating denting depth

Ti i syntezy powłoki TiN wywołało zmniejszenie twardości o 30 jednostek spowodowane procesami rekrystalizacji w podłożu sto- pu. Azotek tytanu ma twardość ok. 2200 HV. Zmierzona twardość badanego systemu areologicznego TiN–PA29 jest mała i wynosi za- ledwie 140 HV0,05, co nie zapewnia stabilności mechanicznej TiN – powłoka jest wgniatana w podłoże przy punktowym odkształce- niu siłą 0,5 N głowicą Vickersa. Zastosowanie wtórnej obróbki cieplej w postaci przesycania i starzenia umożliwia poprawę wła- ściwości mechanicznych badanego systemu. Twardość powłoki na powierzchni próbek ze stopu PA29 po jego przesycaniu i starzeniu zwiększyła się do 831 HV0,05.

3.2.2. Przyczepność warstw – próba zarysowania

Próba zarysowania pozwala określić wartości siły normalnej naci- sku wgłębnika, przy których są obserwowane: pierwsze pękniecie – L_c1, pierwszy odprysk – L_c2, usuniecie warstwy – L_c3. Określenie wartości L_c1 jest w tej metodzie dla badanych systemów aerologicz- nych subiektywne i zależne od przyjętego kryterium identyfikacji pęknięcia lub grupy pęknięć i wyruszeń.Na rysunku pokazano ob- raz rys, a w tabeli 3 zestawiono wyniki próby.

Uzyskane wyniki pokazują wyraźną poprawę właściwości próbki obrobionej cieplnie (tab. 3). Wszystkie wartości sił ulega- ją zwiększeniu. Szczególną uwagę należy zwrócić na wartość sił pierwszego pęknięcia L_c1. Dla próbki nieobrobionej cieplnie obcią- żenie to wynosi zaledwie 2,2 N. Jest to związane ze znaczną różnicą pomiędzy twardością podłoża i warstwy. Druga wartość krytyczna – L_c2 również uległa znaczącej poprawie. Tutaj duży wpływ mają właściwości podłoża, jednak należy uwzględnić jakość połączenia Rys. 2. Mikrostruktura systemu powłoka azotku tytanu na stopie PA29 (TiN/PA29): a) przekrój poprzeczny, b) zgład sferyczny wyko- nany kulą 30 mm

Fig. 2. Microstructure of titanium nitride coating on PA29 alloy (TiN/PA29):

a) cross-section, b) spherical microsection made using 30 mm ball

Rys. 3. Mikrostruktura systemu powłoka azotku tytanu na stopie PA29 po obróbe cieplej (TiN/PA29 OC): a) przekrój poprzeczny, b) zgład sferyczny wykonany kulą 30 mm

Fig. 3. Microstructure of titanium nitride coating on PA29 alloy after heat treatment (TiN/PA29 OC): a) cross-section, b) spherical microsection made using 30 mm ball

Rys. 4. Morfologia powierzchni powłoki azotku tytanu na stopie PA29 Fig. 4. Surface morphology of titanium nitride coating on PA29 alloy

Tabela 2. Twardość stopu PA29 i stopu PA29 z warstwą Table 2. Hardness of PA29 alloy and PA29 alloy with coating

Materiał – rodzaj obróbki Oznaczenie Twardość HV0,05

PA29 – stan wyjściowy PA29_SW 170±10

TiN–PA29 – na stanie wyjściowym TiN_PA29_SW 140±10 TiN–PA29-OC – po starzeniu TiN_PA29_OC 831±30

a) a)

b) b)

wynikającą z zastosowanej metody nakładania warstw. W tym przypadku poprawa jest prawdopodobnie skutkiem utworzenia się strefy dyfuzyjnej w trakcie procesu przesycania i starzenia, co wymaga jednak potwierdzenia. Parametr L_c3 pokazuje, przy jakim obciążeniu warstwa jest usuwana – wartość ta jest niewiele większa od L_c2. Badanie wskazało jednoznacznie lepsze właściwości odpor- ności na pękanie dla powłoki TiN–PA29 OC. Pierwsze pęknięcia L_c1 pojawiają się po przekroczeniu siły 12,8 N. Jest to ponad pięć razy większa wartość niż dla powłoki bez obróbki cieplnej. Pierw- sze wykruszenie L_c2 i usuniecie warstwy L_c3 nastąpiły po ponad trzykrotnym przekroczeniu sił nacisku penetratora w porównaniu z podłożem nie obrobionym cieplnie.

3.3. Ocena jakości powłok w teście Recatest

Odkształcony plastycznie system areologiczny w obszarze rysy po- dano dalszym badaniom metodą Recatest. Na odcinku rysy wyko- nano dwa precyzyjne zgłady sferyczne. Zgłady swą powierzchnią objęły dwa zakresy sił: obszar 1 – zakres sił 12÷23 N, obszar 2 – za- kres sił 24÷38 N. Charakter obrazu ujawnionych struktur powłoki jest typu III, to oznacza, że głębokość zgładu sferycznego nie prze- kracza głębokości rysy [5]. Badanie to miało na celu dokładniejsze poznanie zachowania warstwy pod obciążeniem. Wykonany zgład sferyczny (rys. 6) pozwala na określenie takich parametrów, jak:

grubość powłoki nie odkształconej, głębokość rysy, głębokość na jakiej kończy się warstwa pod rysą, wielkość wypłynięcia warstwy oraz głębokość na jaką podłoże zostaje odkształcone przez dzia- łanie rysy. Na postawie zależności geometrycznych ujawnionych struktur na zgładzie sferycznym zidentyfikowano przebieg zmian:

wysokości wypływki podłoża – h_wp, głębokość wciśnięcia powłoki – g_wp, wysokość wypływki na krawędzi rysy - h_w, głębokość rysy – g_r w funkcji siły normalnej obciążającej penetrator. Przebieg tych zmian dla podłoża nieobrabianego i obrabianego cieplnie przedsta- wiono na zbiorczych wykresach (odpowiednio rysunek 7 i 8). Na ich podstawie stwierdzono mniejsze odkształcenia plastyczne sys- temu aerologicznego po obróbce cieplnej określone parametrami h_w, h_wp, g_r, g_wp. Parametry struktury, takie jak: h_w, h_wp, g_r, g_wp (rys.

7, 8) odkształcanych systemów aerologicznych powłok siłą 10 N 0-Ubytek masy

1~ 600 HV0,1

2~ 2000 HV0,1

3~ 1400 HV0,1

600 ÷700 HV0,1

~ 270 HV0,1

Rys. 5. Rysa powstała w próbie zarysowania systemu areologicznego TiN–PA29: a) podłoże bez obróbki ciepnej, b) podłoże z wtórną ob- róbka cieplną

Fig 5. Scratch made in scratch test metod of areologic TiN–PA29 system:

a) substrate without heat treatment, b) substrate with heat treatment

Tabela 3. Wartości obciążeń krytycznych wyznaczonych na podstawie próby zarysowania

Table 3. Values of critical load designated based on scratch test

Materiał L_c1 L_c2 L_c3

TiN–PA29 2,2 N 6,2 N 6,9 N

TiN–PA29-OC 12,8 N 20,4 N 21,7 N

Rys. 6. Zgład sferyczny na rysie (a) wraz z wykonanymi pomiarami (b); TiN–PA29

Fig 6. Spherical microsection within scratch (a), with measurments (b);

TiN–PA29

Rys. 7. Zmiana głębokości rysy, zalegania powłoki pod rysą oraz wyso- kość na jaką odkształcane zostaje podłoże oraz warstwa w zależności od nacisku (TiN–PA29)

Fig 7. Change in scratch depth, coating denting depth and deformation height of substrate and coating depending on load (TiN–PA29)

obrabianego cieplnie TiN–PA29–OC (rys. 8). Zastosowana obróbka cieplna stopu zmniejsza wyskokość wypływki podłoża h_wp, głębo- kość wciśnięcia powłoki g_wp, wysokość wypływki na krawędzi rysy h_w oraz głębokość rysy g_r.

Charakter zmiany parametru h_wp wypływki podłoża pod po- włoką przedstawiono na rysunku 9. Analiza przebiegu krzywych wykazuje, że podłoże nieobrobione cieplnie wypiętrza się na kra- wędzi rysy na wysokość większą niż grubość powłoki nieodkształ- conej. W przypadku wtórnej obróbki cieplnej wypiętrzenie o tym charakterze następuje przy sile 11 N. Prowadzone badania stano- wią podstawę do dalszych, bardziej szczegółowych analiz procesu odkształcania powłokowych systemów aerologicznych w obszarze

a)

b)

4. WNIOSKI

1. Wytworzenie metodą PVD-Arc warstwy azotków tytanu na sto- pie aluminium PA29 powoduje znaczne zmniejszenie twardo- ści stopu na skutek wzrostu temperatury w procesie osadzania powłoki PVD. Obróbka cieplna składająca się z przesycania i starzenia (utwardzanie wydzieleniowe) układu aerologicznego warstwa azotków–stop PA29 kilkakrotnie zwiększa twardość powierzchniową systemu, wywołując jednocześnie zwiększenie przyczepności warstwy TiN do podłoża.

2. Zastosowanie metody badawczej Recatest do oceny jakości me- chanicznej systemu areologicznego TiN–PA29 pozwala określić zmianę mikrostruktury systemu areologicznego w obrębie rysy opisanej parametrami: h_wp – wysokości wypływki podłoża, g_wp – głębokość wciśnięcia powłoki, h_w – wysokość wypływki na krawędzi rysy i g_r – głębokość rysy w funkcji siły normalnej obciążającej penetrtor.

Rys. 9. Porównanie zmiany wysokości, na jaką zostaje odkształcone podłoże w zależności od nacisku

Fig 9. Comparision of deformation height of substrate and coating de- pending on load

Rys. 8. Zmiana głębokości rysy, zalegania powłoki pod rysą oraz wyso- kość na jaką odkształcone zostaje podłoże oraz warstwa w zależności od nacisku; TiN–PA29 OC

Fig 8. Change in scratch depth, coating denting depth and deformation

height of substrate and coating depending on load; TiN–PA29 OC 3. Zmniejszenie wartości h_wp, g_wp, h_w, g_r charakteryzujących od- kształcenie plastyczne powłokowego systemu areologicznego azotków tytanu na stopie aluminium PA29 wynika ze wzrostu twardości podłoża spowodowanego utwardzającą obróbką ciepl- ną.

LITERATURA

[1] Youming L., Liuhe L., Ming X., Qiulong C., Yawei H., Xun C., Paul K. C.:

The effect of N⁺-implanted aluminum substrate on the mechanical proper- ties of TiN films. Surface & Coatings Technology 200 (2006) 2672÷2678.

[2] Ashrafizadeh F.: Plasma-assisted surface treatment of aluminium alloys to combat wear. Surface Engineering of Light Alloys (2010) 323÷361.

[3] Tacikowski M., Banaszek M., Smolik J.: Corrosion-resistant composite titanium nitride layers produced on the AZ91D magnesium alloy by a hy- brid method. Vacuum 99 (2014) 298÷302.

[4] Burakowski T.: Areologia powstanie i rozwój. Biblioteka Problemów Eksploatacji. Radom ITeE (2007).

[5] Betiuk M., Pokorska I., Nakonieczny A.: Zastosowanie metody rysy i ku- lotestera do oceny jakości powłok PVD. Inżynieria Powierzchni 3 (2009) 34÷40.