Tribologické PVD povlaky na bázi wolframu

Abstract

Práce se zabývá analýzou vybraných vlastností PVD povlaků na bázi wolframu deponovaných metodou reaktivního DC magnetronového naprašování a jejich srovnáním s běžnými povlaky CrN a TiN (mono- i multivrstvými). Teoretická část je rozdělena do tří kapitol; v první jsou popsány principy a hlavní charakteristiky vybraných PVD metod, další kapitola se zabývá metodami hodnocení vlastností tenkých vrstev a v poslední části jsou podrobněji charakterizovány sledované typy povlaků. V experimentální části práce byly připraveny vzorky s různými povlaky. K hodnocení vybraných vlastností byla zvolena série experimentálních metod, pomocí kterých byly zjišťovány adhezní a tribologické vlastnosti povlaků, jejich tvrdost, mikrostruktura a fázové složení. Z hodnoceného souboru povlaků vykazují nejvyšší tvrdost i modul pružnosti povlaky na bázi wolframu. Výsledky provedeného Scratch testu a Mercedes testu prokázaly rovněž nejlepší adhezní vlastnosti. Při tribologické zkoušce PIN on DISC dosáhly W-povlaky nejnižší míry opotřebení. Funkčně gradovaný povlak W-WN byl porovnán s multivrstvým povlakem Ti-TiN při in situ ohybové zkoušce. Deformační chování obou systémů je obdobné, přičemž povlak Ti-TiN vykazuje mírně vyšší hodnoty napětí. Nejvýraznější rozdíl byl zjištěn při iniciaci prvního porušení. Výsledky naznačují, že povlaky na bázi wolframu mají potenciál perspektivních řešení v oblasti vybraných tribologických aplikací.

In the presented thesis selected properties of tungsten-based PVD coatings deposited by DC reactive magnetron sputtering were evaluated and compared with common CrN and TiN coatings (mono- and multilayer-based). The theoretical part is divided into three main sections; in the first part principles and main characteristics of PVD methods are described, the next chapter deals with evaluation methods for thin films. In the last section the selected coating types are characterised in more detail. In the experimental part samples with different coatings were prepared. In order to evaluate the determined properties a set of experimental methods was selected. These were used to describe adhesion and tribological behaviour of the coatings, their hardness, microstructure and phase analysis. From the evaluated set of coatings the tungsten-based coatings exhibited the highest hardness and Young's modulus as well as the best adhesion properties determined from the results of Scratch test and Mercedes indentation test. The results of the tribological "PIN on DISC" test show the lowest wear rate also for the W-based coatings. Functionally graded W-WN coating was compared to the multilayer Ti-TiN coating during in situ three-point bending test. Deformation behaviour of both coating systems was similar, although the Ti-TiN multilayer exhibited slightly higher stress values. The most significant difference occurred at the time of first defect formation. The results proved that tungsten-based coatings have a potential of progressive solutions in the area of selected tribological applications.