WŁAŚCIWOŚCI POWŁOK Si 3 N 4 FORMOWANYCH METODĄ IBAD NA AZOTOWANEJ STALI 316L

Transkrypt

1 PROBLEMY EKSPLOATACJI 83 Wiesław A. RAKOWSKI, Marcin KOT, Sławomir ZIMOWSKI, Piotr SKWIRCZYŃSKI Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków Bogusław RAJCHEL Instytut Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczańskiego PAN, Kraków WŁAŚCIWOŚCI POWŁOK Si 3 N 4 FORMOWANYCH METODĄ IBAD NA AZOTOWANEJ STALI 316L Streszczenie Powłoki typu Si x N y formowano dwuwiązkową metodą IBAD (Double Beam Ion Beam Assisted Deposition) na podłożu azotowanej stali 316L, w oparciu o wartości parametrów procesu uzyskanych na drodze symulacji. Wyniki badań właściwości mikromechanicznych wskazują, że otrzymane powłoki charakteryzują się bardzo dobrą adhezją do podłoża oraz wysoką elastycznością i twardością. Zwraca uwagę wyjątkowo wysoka odporność na pękanie tych powłok nawet przy bardzo dużych odkształceniach. Wstęp Dwuwiązkowa metoda Double Beam Ion Beam Assisted Deposition zapewnia uzyskanie na podłożach metalicznych i ceramicznych warstw o właściwościach nieosiągalnych innymi metodami, m.in. o doskonałej adhezji do podłoża, bardzo elastycznych, o niskich naprężeniach własnych oraz wysokiej wytrzymałości mechanicznej i twardości, a ponadto niskim współczynniku tarcia przy równocześnie wysokiej odporności na zużycie i wysokiej wytrzymałości zmęczeniowej [1 4]. Trwałość eksploatacyjna takich warstw wierzchnich silnie zależy od jakości podparcia powłoki, przede wszystkim od właściwości mechanicznych podłoża. Dlatego w inżynierii powierzchni coraz powszechniej stosuje się technologie hybrydowe, których pierwszy etap polega na modyfikacji podłoża, najczęściej metodami dyfuzyjnymi, a w następnych etapach formowa-

2 84 PROBLEMY EKSPLOATACJI ne są powłoki jedno- lub wielowarstwowe [5]. Jedną z najbardziej efektywnych metod poprawy zarówno właściwości mechanicznych (np. twardości, elastyczności), jak i właściwości antykorozyjnych warstw przypowierzchniowych poprzez modyfikację jej składu pierwiastkowego oraz mikrostruktury jest azotowanie jarzeniowe [6 8]. Dlatego jako podłoże dla formowania powłoki Si 3 N 4 zastosowano azotowaną stal 316L. Model struktury Si 3 N 4 na podłożu stalowym Zależność pomiędzy parametrami procesu IBAD i warunkami formowania powłoki a jej składem chemicznym, strukturą atomową, szerokością warstw przejściowych i rodzajem warstwy pośredniej oraz, co najważniejsze właściwościami użytkowymi powłoki nie jest jeszcze dostatecznie rozpoznana dla celów technologicznych. Precyzyjne sterowanie procesem formowania powłoki powinno być oparte na modelu i symulacji zarówno struktur powłoki, jak i oddziaływania wiązki jonów na ciało stałe. Model pojedynczej komórki krystalicznej Si 3 N 4 osadzonej na podłożu stalowym zbudowano wykorzystując oprogramowanie Material Studio. Za pomocą oprogramowania Cerius 2 strukturę pojedynczego kryształu powielono otrzymując fragment struktury krystalicznej. Otrzymany fragment zoptymalizowano energetycznie. Na rys. 1 przedstawiono pojedynczą komórkę Si 3 N 4, osadzoną na podłożu Fe oraz fragment struktury siatki krystalicznej. Rys. 1. Pojedyncza komórka Si 3 N 4 na podłożu Fe oraz fragment struktury siatki krystalicznej Formowanie powłoki Do formowania powłok typu Si x N y na podłożu stalowym utwardzonym zastosowano dwuwiązkową metodę IBAD (Ion Beam Assisted Deposition). Uzyskiwane metodą IBAD powłoki charakteryzują się własnościami, jakich nie można uzyskać klasycznymi metodami CVD/PVD (Chemical or Physical Vapour Deposition). W szczególności cechują się doskonałą adhezję do podłoża zapew-

3 PROBLEMY EKSPLOATACJI 85 nioną dzięki zastosowaniu do bombardowania dynamicznie formowanej powłoki wiązki jonów o stosunkowo wysokiej energii (rzędu kiloelektronowoltów). Wiązka jonów o tak dużej energii powoduje utworzenie warstwy przejściowej pomiędzy powłoką a podłożem, o grubości porównywalnej z zasięgiem bombardujących jonów w materiale podłoża. Badaną powłokę formowano bombardując wiązką jonów Ar + o energii 15 kev płaską płytkę wykonaną ze spiekanego drobnoziarnistego proszku Si 3 N 4, pod kątem 67 względem normalnej do jej powierzchni. Wybite atomy krzemu oraz azotu były osadzane na płaskiej płytce wykonanej ze stali 316L uprzednio azotowanej techniką jarzeniową. Dynamicznie osadzaną powłokę bombardowano dobijającą wiązką jonów N + o energii 15 kev [2, 4]. Twardość i moduł sprężystości warstwy wierzchniej Badania wykonano metodą indentacji, (wgłębnik Vickersa), przy użyciu aparatu Micro Combi Tester firmy CSEM stosując procedury zalecenia norm ISO :2002 oraz PN-EN ISO :2005. Zakres obciążeń 0,02-30 N, dokładność pomiaru zagłębienia 0,3 nm, obciążenia: 100 mn i 1000 mn dla podłoży przed obróbką (materiał lity) oraz 20 mn, 50 mn, 100 mn i 1000 mn dla powłoki. Przebieg czasowy próby typu a (PN-EN ISO :2005), a = 30s; b = 5s, c = 30s, temperatura otoczenia podczas próby (21± 2) C, pozostałe parametry zgodnie z PN-EN ISO :2005. Wartości parametrów wyznaczono z krzywej siła/głębokość wciskania jako średnią z sześciu pomiarów dla każdej próbki. Moduł sprężystości jest obliczany metodą Olivier-Pharr a zgodnie z EN ISO :2002, na podstawie krzywej wgłębnikowania [7]. W tabeli 1 są podane wyniki badań twardości z wgłębnikowania H IT i twardości HV oraz moduł sprężystego wciskania wgłębnika E IT. Tabela 1. Twardość HV, H IT oraz moduł sprężystości E IT stali 316L azotowanej i powłoki Si 3 N 4 osadzonej na tej stali Obciążenie mn Test Oznaczenie testu 20 HV0,002 H IT 0,02/30/5/30 50 HV0,005 H IT 0,05/30/5/ HV0,01 H IT 0,1/30/5/ HV0,1 H IT 1/30/5/30 Twardość HV Stal 316 L po azotowaniu Twardość H IT N/mm 2 Moduł sprężystości GPa Twardość HV Si 3 N 4 na azotowanej stali 316 L Twardość H IT N/mm 2 Moduł sprężystości GPa 127± ±252 63,5±8,7 1473± ± ±16 130± ±421 96,1±15,5 1350± ± ±11 149± ± ,3±14,1 1187± ± ±8 852± ± ,7±8,6 1204± ± ±10

4 86 PROBLEMY EKSPLOATACJI Stosunkowo niską mikrotwardość stali po azotowaniu, zmierzoną przy obciążeniach 20 mn i 50 mn można zinterpretować jako efekt zastosowanego procesu rozpylania katodowego w atmosferze argonu i wodoru. Uzyskano bardzo rozwiniętą (chropowatą) powierzchnię, dzięki czemu wytrzymałość połączenia powłoki z podłożem może znacznie wzrosnąć. Osadzenie powłoki Si 3 N 4 powoduje znaczący wzrost twardości powierzchni oraz wzrost sztywności zwłaszcza cienkiej warstewki przypowierzchniowej. Adhezja powłoki do podłoża i odporność na pękanie Badania adhezji powłoki do podłoża wykonano metodą zarysowania (scratch test) stosując procedury i zalecenia norm ENV :1994, PN-ENV :2003 (U), przy użyciu wgłębnika Rockwell C o promieniu zaokrąglenia 200 µm i kącie stożka 120. Zakres obciążenia: od 0,05 do 30 N, liniowe narastanie obciążenia. Nie zanotowano żadnych efektów akustycznych pękania powłoki, a na powierzchni nie obserwowano żadnych pęknięć ani delaminacji powłoki nawet przy maksymalnym obciążeniu 30 N, gdy zagłębienie wyniosło 22 µm. Po odciążeniu zagłębienie resztkowe wyniosło 1,2 µm. Tak duży powrót sprężysty układu: twarda powłoka/podłoże metalowe świadczy o otrzymaniu warstwy Si 3 N 4, która posiada niezwykłe właściwości sprężyste, charakterystyczne dla powłok nanokrystalicznych. Charakterystyki tribologiczne W badaniach tribologicznych stosowano procedury i zalecenia norm ISO 20808:2004, ASTM G oraz DIN Badania przeprowadzono na testerze typu kula-tarcza, materiał kuli Al 2 O 3, średnica kuli Ø1 mm, promień toru tarcia 4,5 mm [8]. Testy prowadzono w warunkach tarcia suchego, przy obciążeniu 2 N, prędkości obrotowej 60 obr/min, prędkości liniowej 0,03 m/s. Temperatura otoczenia podczas badań wynosiła 21±2 C, wilgotność powietrza ~50%. Do każdego testu stosowano nową kulkę. Przebiegi czasowe wartości współczynnika tarcia są przedstawione na rys. 2. Odporność na zużycie warstwy wierzchniej wyznaczono na podstawie pomiarów profilu bruzdy (wytarcia) powstałej po tarciu kulką (rys. 3). Profil bruzdy został zmierzony przy użyciu Micro-Combi-Testera. Intensywność zużycia I v (wskaźnik) wyznaczono obliczając iloczyn objętości materiału usuniętego V z, przez nacisk Fn i drogę tarcia s: Iv = Vz Fn s 3 mm N m

5 PROBLEMY EKSPLOATACJI Współczynnik tarcia, f Si3N4/azot 316 Liczba cykli, N Rys. 2. Współczynnik tarcia powłoki Si 3 N 4 na azotowanej stali 316L z kulką Al 2 O 3 (Fn = 2 N; n = 60 obr/min; R = 4,5 mm) Rys. 3. Profil bruzdy w stali 316L azotowanej (głębszy) i w warstwie z powłoką Si 3 N Wskaźnik zuzycia, Wv[mm 3 /Nm] Wskaźnik zużycia Pole Pole przekroju poprzecznego wytarcia, Ap[ m 2 ] 0 azot 316 Si3N4/azot 316 Rys. 4. Głębokość i pole przekroju poprzecznego bruzdy 0

6 88 PROBLEMY EKSPLOATACJI Wskaźnik zużycia stali 316L po azotowaniu wynosi 1,2*10-5 ±9,5%, a powłoki Si 3 N 4 osadzonej na tej stali 0,34*10-5 ±7%. Wnioski Wyniki badań właściwości mikromechanicznych wskazują, że powłoka Si 3 N 4 osadzona na podłożu z azotowanej stali 316L metodą DB IBAD, w oparciu o parametry procesu uzyskane na drodze symulacji, charakteryzuje się bardzo dobrą adhezją do podłoża oraz wysoką elastycznością i twardością. Zwraca uwagę wyjątkowo wysoka odporność na pękanie tej powłoki nawet przy bardzo dużych odkształceniach. Bardzo silne związanie powłoki Si 3 N 4. z podłożem wykonanym z azotowanej stali 316L jest charakterystyczne dla powłok otrzymywanych metodą DB IBAD, jednak w tym przypadku można wysunąć przypuszczenie, że dodatkowym czynnikiem zwiększającym wrastanie powłoki w podłoże jest bardzo silne rozwinięcie powierzchni podłoża uzyskane podczas azotowania jarzeniowego w wyniku procesu rozpylania katodowego w atmosferze argonu i wodoru. Warstwa wierzchnia z nałożoną powłoką wykazuje ok. czterokrotny wzrost odporności na zużycie w porównaniu ze stalą 316L azotowaną. Praca naukowa finansowana ze środków Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego, wykonana w ramach realizacji Programu Wieloletniego pn. Doskonalenie systemów rozwoju innowacyjności w produkcji i eksploatacji w latach Bibliografia 1. Rauschenbach B.: Ion beam assisted deposition a processing technique for preparing thin films for high-technology applications. Vacuum 69, Rajchel B., Rakowski W. i in.: Formowanie dwuwiązkową metodą IBAD biozgodnych powłok na bazie węgla i krzemu. PRZEGLĄD LEKARSKI, vol Klingenberg M., et all.: Practical applications of ion beam and plasma processing for improving corrosion and wear protection. Surface and Coatings Technology (2002) Rajchel B., Mitura M., Rakowski W., Rakowska A., Birczyńska A., Proniewicz L.M.: Some aspects of creation of the SixCy coating layers by dual beam IBAD method. Proc. V International Conference Ion Implantation and other Applications of Ions and Electrons ION-2004, Kazimierz Dolny Matthews A., Layland A., Hybrid Techniques in Surface Engineering, Surface and Coatings Technology, 71, 1999, 88.

7 PROBLEMY EKSPLOATACJI Wierzchoń T., Ulbin-Pokorska I. i inni: Properties of multicomponent surface layers produced on steels by modified plasma nitriding processes, Vacuum. 53(1999) Fewell M.P., Priest J.M., Baldwin M.J., et al.: Nitriding at low temperature, Surface and Coatings Technology 131, 2000, Wierzchoń T., Ulbin-Pokorska I., Precht W., Sikorski K.: Structure and properties of composite layers produced by combined methods of surface treatment, Proceedings of the 12 th International Congress of the International Federation of Heat Treatment an Surface Engineering, Melbourne, Australia, vol. 2 (2000) Moskalewicz T., Rakowski W., Czyrska-Filemonowicz A.: Mikrostruktura i właściwości mikromechaniczne biomateriałów tytanowych. Inżynieria Biomateriałów, nr 23 25, Kot M., Rakowski W.A.: Metoda wyznaczania granicy plastyczności z analizy krzywej obciążenie-odkształcenie pochodzące z mikrowgłębnikowania. Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, PAN, 3, 2005, 12. Recenzent: Paweł WODNIECKI The properties of Si3N4 coatings deposited by IBAD method on nitrating 316L steel Summary The Si3N4 coatings deposited by Double Beam Ion Beam Assisted Deposition (DB IBAD) method on nitrating 316L steel, used a set of process parameters obtained by computer simulation. The results of mechanical investigations showed very good adhesion of coating to the substrate, excellent elasticity and high hardness. A very high coating resistance to crack even under high deformation should be emphasized.

8 90 PROBLEMY EKSPLOATACJI