Efekt synergiczny w multiwarstwach typu Ti/TiN oraz Cr/CrN w świetle badań mikromechanicznych i tribologicznych

W artykule przedstawiono wyniki badań strukturalnych (TEM) oraz pomiaru mikrotwardości i adhezji do podłoża metodą zarysowania powłok wielowarstwowych typu ceramika-metal. Dla wszystkich powłok przeprowadzono testy tribologiczne w skojarzeniu kula-tarcza. Powłoki były wytwarzanie metodą PLD (Pulsed Laser Deposition). Badano powłoki Ti/TiN oraz Cr/CrN o okresie multiwarstwy z zakresu 30-1000 nm. Wyniki badań wskazują na silną zależność twardości w funkcji ilości warstw w multiwarstwie, przy czym najwyższą twardość z pośród badanych powłok posiadają 4xCr/CrN oraz 16xTi/TiN. Twardość ich jest niewiele niższa od twardości pojedynczych powłok TiN i CrN. Multiwarstwy charakteryzują się lepszą odpornością na zarysowanie niż pojedyncze powłoki ceramiczne. Z badań tribologicznych wynika także, że odporność na zużycie multiwarstw Cr/CrN jest lepsza niż pojedynczej powłoki CrN. W pracy objaśniono efekt synergiczny, polegający na znacznym wzroście wytrzymałości oraz odporności na zużycie multiwarstw typu ceramika-metal w stosunku do pojedynczych powłok ceramicznych.

---

Ceramic/metal multilayers with nanometer thickness of layers are new kinds of materials for tribological applications. Stacks of hard ceramic and tough metallic layers give coatings with higher adhesion and wear resistance. Introduction of many interfaces parallel to the substrate surface can deflect cracks and provide barriers to dislocation motion, increasing the toughness and hardness of coating sometimes over single ceramic coatings. A critical parameter for the enhancement multilayer properties is the bilayer period [lambda] - because most multilayer systems exist optimum for this parameter. Then synergy effect - high hardness, toughness and wear resistance, obtained as a result of applying soft metallic coatings in a structure, could be observed. Coatings with a bilayer period low than optimum have poore properties caused by losing the multilayer structure. In the article micromechanical and tribological properties of metal/ceramic multilayers are presented. Multilayers of alternate Ti/TiN and Cr/CrN coatings were deposited on Boiler 7002 ferrite steel by the PLD (Pulsed Laser Deposition) technique. The total thickness of the multilayers was 1 žm, and the bilayer period [lambda] varied from between 30nm and 1,000 nm. For titanium multilayers 16xTi/TiN coating has a highest hardness and the best scratch and wear resistance however properties of this coating are still worse than a single TiN coating and chromium system multilayer 4xCr/CrN has superior properties over a CrN coating. The hardness of multilayer is only slightly lower but critical load and resistance to wear are almost two times higher than for a single ceramic layer. The optimum bilayer period to be found as 62 and 250 nm for Ti/TiN and Cr/CrN systems.