بررسی ساختار و رفتار تریبولوژیکی پوشش نانوساختار کربن شبه الماس رسوب‌گذاری شده به روش PACVD و Arc-PVD

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مقاله 8، دوره 8، شماره 30، بهمن 1396، صفحه 87-104   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

عیسی کرانیان¹؛ رامین نایب زاده^{* 2}؛ مهدی غلامپور¹

¹استادیار دانشکده علوم پایه، دانشگاه امام علی(ع)، تهران، ایران

²فارغ التحصیل کارشناسی ارشد دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

تاریخ دریافت: 27 آبان 1395،  تاریخ بازنگری: 25 دی 1395،  تاریخ پذیرش: 10 اسفند 1396 

چکیده

در این پژوهش پوشش نانوساختار DLC (کربن شبه الماسی) با استفاده از روش PACVD (رسوب­گذاری شیمیایی از فاز بخار به کمک پلاسما) و روش Arc-PVD (رسوب­گذاری فیزیکی از فاز بخار به کمک قوس کاتدی)، روی فولاد St37 پوشش داده شد. سپس در روش Arc-PVD یک لایه میانی قبل از پوشش DLC رسوب­گذاری گردید. مشخصه‌یابی و ارزیابی پوشش­ها به­وسیله روش‌های میکروسکوپ الکترونی روبشی، پراش سنجی پرتو ایکس، طیف سنجی رامان، طیف­ سنجی با تفکیک انرژی، آزمون­های چسبندگی و تریبولوژیکی انجام شد. نتایج نشان داد که پوشش DLC PVD به دلیل حضور لایه میانی TiCrAlN، اندازه ذرات 30 تا 40 نانومتر، سختی گرادیانی و همچنین حضور کاربیدهای تیتانیم و کروم درون پوشش، دارای خواص مکانیکی، چسبندگی و سایش عالی است. اندازه دانه­های پوشش DLC PACVD تقریباً در محدوده­ی 70 تا 110 نانومتر اندازه­گیری شد. از طرفی ضخامت پوشش در روش Arc-PVD کم­تر از پوشش حاصل از روش PACVD شد که تنش داخلی کم­تر پوشش منتهی به چسبندگی مناسب این پوشش شد. بنابراین پوشش حاصل از روش PACVD علی­رغم خواص مناسب، نسبت به پوشش  DLC PVDسختی و چسبندگی کمتری از خود نشان داد.

کلیدواژه‌ها

رسوب فیزیکی بخار؛ رسوب شیمیایی بخار به کمک پلاسما؛ کربن شبه الماس؛ پوشش نانوسختار و فولاد St37

عنوان مقاله [English]

Investigation of structure and tribological behavior of nanostructured DLC coating, deposited by PACVD and Arc-PVD processes

نویسندگان [English]

I Karanian¹؛ R Nayebzade²؛ M Gholampour¹

¹University of Imam Ali

²University of Imam Ali

چکیده [English]

In this Study, PACVD (plasma assistant chemical vapor deposition) and Arc-PVD (cathodic arc physical vapor deposition) methods were used to deposit of DLC (diamond like carbon) on St37 steel. Then, an interlayer was performed before applying the main DLC coating using arc-PVD. Field emission scanning electron microscopy, x-ray diffraction, Raman spectroscopy, energy dispersive spectroscopy, adhesion and tribological tests were performed to characterize and evaluate of coatings. Many factors are responsible for the excellent wear and mechanical behaviors of the DLC PVD coating including the presence of TiCrAlN interlayer, the fine grains (30-40 nm), hardness gradient as well as Ti and Cr carbides. These factors, also led to reach the high adhesion for this coating. The grain size of DLC PACVD coating was measured approximately 70-110 nm. In addition the thickness of arc-PVD coating was less than that of the PACVD coating which caused lower internal stress and subsequently appropriate adhesion to the substrate. The results revealed that this coating had lower hardness and adhesion to the substrate than that of the DLC PVD.

کلیدواژه‌ها [English]

PACVD, Arc-PVD, diamond like carbon, Nanostructured coating and St37 steel

مراجع

1-Bunshah, R.F., Handbook of Hard Coatings, Noyes Publications, ParkRidge, New Jersey, U.S.A, 1999.         

2-Apachitei, I., Zhou, J.,  Walstock, T., Duszczyk, J., “Effect of Prioplasma Nitriding applied to a hot-work tool steel on the scratch-resistantproperties of PACVD TiBN and TiCN Coatings”, Surface and Coatings Technology, Vol. 201, pp. 2534–2539, 2006.        

3-Stoiber, M., Wagner, J., Mitterer, C., Gammer, K., Hutter, H., Lugmair, C., Kullmer, R., “Plasma-Assisted Pre-Treatment for PACVD TiN Coatings on Tool steel, Surface and Coatings Technology”, Vol. 174 –175, pp. 687–693, 2003.  

4-Stoessel, H.C., Bunshah, F.R., Handbook of Hard Coatings, Deposition Technologies, Properties and Applications, Elsevier, 1st edition, USA, Library of Congress, 2000.          
 
5- اسحاقی، اکبر، مجیری، فخرالدین، کرمی، اسماعیل، "ارزیابی لایه نازک کربن شبه الماسی اعمال شده به روش رسوب شیمیایی بخار تقویت شده با پلاسما بر عملکرد سلول خورشیدی سیلیکونی"، مجله مواد نوین، جلد 4، شماره 5، صفحات 155-164،  1394.

6-Trava-Airoldi, V.J., Bonetti, L.F., Capote, G., “DLC Film Properties Obtained by a Low Cost and Modified Pulsed-DC Discharge”, Thin Solid Films, Vol. 516, pp. 272–276, 2007.     

7-Chang, C.L., Wang, D.Y., “Microstructure and adhesion characteristics of diamond-like carbon films deposited on steel substrates”, Diamond and Related Materials, Vol. 10, pp. 1528_1534, 2001. 

8-Wu, W.J., Pai, T.M., “Wear behavior of silicon-containing diamond-like carbon coatings”, Diamond and Related Material, Vol. 7, pp. 1478–1484. 1998.         

9-Dai, W., Ke, P., Wang, A., “Microstructure and property evolution of Cr-DLC films with different Cr content deposited by a hybrid beam technique”, Vol. 85, pp. 792-797, 2011.          

10-Zhang, S., Bui X.L., Jiang J, Li, X., “Microstructure and tribological properties of magnetron sputtered nc-TiC/a-C nanocomposite”, Surface Coating and Technology, Vol. 198, pp. 206-211, 2005.

11- سلیمی­فر، سعید، داوودی، دانیال، سلحشور، سامان، لطفی، علیرضا، "بهبود خواص تریبولوژیکی فولاد ST37 با ایجاد لایه کامپوزیتی حاوی ذرات آلومینا به روش جوشکاری GTAW"، فصلنامه مواد و فناوری­های پیشرفته، دوره 4، شماره 2، صفحات 53-61، 1394.

12-Taki, Y., Kitagawa, T., takai, O., “Preparation of diamond-like carbon thin films by shielded arc ion plating”, Journal of materials science letters, Vol. 16, pp. 553–556, 1997.      

13-Kamiya, M., Tanoue, H., Takikawa, H., “Preparation of various DLC films by T-shaped filtered arc deposition and the effect of heat treatment on film properties”, Vacuum, Vol. 83, pp. 510-514, 2009.           

14-Anders, J., Diaz, J.W., AgerIII, R., “Thermal stability of amorphous hard carbon films produced by cathodic arc deposition”, Applied Physics Letters, Vol. 71, pp. 3367-3369, 1997.          

15- Robertson, J., Classification of diamond-like carbons, in: Donnet, C., Erdemir, A., Tribology of diamond-like carbon films, Springer, First edition, pp. 13-24, 2008.          

16-Gavrilov, N.V., Mamaev, A.S., Plotnikov, S.A., Rubshtein, A.P., “Comparison testing of diamond-like a-C:H coatings prepared in plasma cathode-based gas discharge and ta-C coatings deposited by vacuum arc”, Surface and Coatings Technology, Vol. 204, pp. 4018-4024, 2010.         

17-Ouyanga, J.H., Sasakib, Sh., Murakamib, T., Zhoua, Y., “Mechanical and unlubricated tribological properties of titanium-containing diamond-like carbon coatings”, Wear, Vol. 266, pp. 96-102, 2009.

18-Sánchez-López, J.C., Martínez-Martínez, D., Abad, M.D., Fernández, A., “Metal carbide/amorphous C-based nanocomposite coatings for tribological applications”, Surface and Coatings Technology, Vol. 204, pp. 947–954, 2009.

19-Lin, J., Moore, J.J., Mishra, B., Pinkas, M., Sproul, W.D., “Syntheses and characterization of TiC/a:C composite coatings using pulsed closed field unbalanced magnetron sputtering (P-CFUBMS)”, Thin Solid Films, Vol. 517, pp. 1131-1135, 2008.       

20-Mittal K.L., Adhesion measurement of thin films, thick films and bulk coatings, 1st edition, Philadelphia, American Society for testing and Materials, pp. 1–5, 1976.

21-W. Heinke, W., Leyland, A., Matthews, A., Berg, G., “Evaluation of PVD nitride coatings, using impact, scratch and Rockwell-C adhesion tests”, Thin Solid Films, Vol. 270, pp. 431-438, 1995.
 

22- Ashrafizadeh F., “Adhesion evaluation of PVD coatings to aluminium substrate”, Vol. 130, pp. 186-194, 2000.

23-Rabertson, J., “Diamond-Like Amorphous Carbon”, Material Science and Engineering, Vol. 37, pp. 129-281, 2002.

24-Ferrari, A.C., Robertson, J., “Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon”, Physical Review B, Vol. 61, pp. 15-20, 2000.

25-Ferrari, A.C., Robertson, J., “Resonant Raman spectroscopy of disordered, amorphous, and diamond like carbon”, Physical Review B, Vol. 64, pp. 7-15, 2001.

26-Zhaoa, J.F., Lemoine, P., “study of microstructure and nanomechanical properties of silicon incorporated DLC films deposited on silicon substrates”, Diamond and Related Materials, Vol. 10, pp. 1070_1075, 2001.   

27-Cavaleiro, A., De Hosson, J.Th.M., Nanostructured Coatings: Microstructure of Diamond like Carbon Multilayers, Lockwood, D.J., second edition, National Research Council of Canada, Ontario, Canada, 2006.      

28-Pei, Y.T., Galvan, D., De Hosson, J.Th., “Nanostructure and properties of TiC/a-C:H composite coatings”, Acta Materialia, Vol. 53, pp. 4505-4521, 2005.