Abrasive wear mechanisms of antiwear coatings in ball-cratering tests

The article is a continuation of research on the mechanisms of wear on PVD coatings observed after tests had been performed with the use of the ball cratering method evaluating the wear. The work conditions of friction point in which tribological tests had been performed were calculated based on the optimization experiments described in independent studies [L. 1-2]. The aim of the article is to analyse the boundary surface coating-substrate resulting from abrasive wear. The observed area is located on the border of the trace of wear in the shape of a crater, at the point of the exit of the ball from the trace in accordance with the direction of the selection of the coating. The tested surface was observed with the use of microscopic techniques: scanning electron microscope (SEM) and interferometric microscope (WLI). The authors attempted to present the repetitive nature of the mechanism of the wear of thin PVD coatings with the use of the ball-cratering method, including its influences on receiving repeated traces of wear, which, in turn, has an influence on the determination of a reproducible value of the wear rate Kc, which is the factor determining the resistance of the tested coating to abrasive wear.

Artykuł jest kontynuacją prezentacji wyników badań dotyczących analizy mechanizmów zużywania cienkich powłok PVD zaobserwowanych po badaniach zużyciowych metodą ball-cratering. Warunki pracy węzła tarcia, dla których wykonano badania tribologiczne opracowano na podstawie eksperymentów optymalizacyjnych opisanych w pracach własnych [L.1-2]. Celem artykułu jest analiza powierzchni granicznej powłoka-podłoże powstałej w wyniku zużycia ściernego. Obserwowany obszar znajduje się na granicy śladu zużycia w kształcie krateru, w miejscu wyjścia kuli ze śladu zgodnie z kierunkiem wybierania powłoki. Badaną powierzchnię obserwowano z zastosowaniem technik mikroskopowych: elektronowego mikroskopu skaningowego (SEM) i mikroskopu interferometrycznego (WLI). Założeniem autora było uzyskanie powtarzalnego charakteru mechanizmu zużywania cienkich powłok PVD metodą ball-cratering. Wpływa on na otrzymywanie powtarzalnych śladów zużycia, co z kolei ma wpływ na wyznaczenie powtarzalnej wartości współczynnika szybkości zużywania Kc, współczynnika określającego odporność badanej powłoki na zużycie ścierne. Celem obserwacji było zaprezentowanie mechanizmów zużywania występujących na analizowanym obszarze granicznym [L. 6, 8]. Porównano powierzchnie krateru na granicy przetarcia powłoki przy wyznaczonych optymalnych wartościach parametrów pracy [L. 1-2]. Po przeprowadzonych biegach tribologicznych zaobserwowano znaczącą różnicę w ścieraniu osadzonych powłok PVD. W każdym z przeprowadzonych biegów tribologicznych formy zużycia były powtarzalne. Dla powłok: CrN, CrN/duplex zaobserwowano formę zużycia przez toczenie, natomiast dla powłok: AITiN, AITiN/duplex, AICrN i (TiN/AICrN)xS, two-body abrasive wear - przez bruzdowanie. Zróżnicowany charakter zużycia ściernego uwarunkowany jest zróżnicowaną twardością badanych powłok względem użytego ścierniwa, którego twardość wynosi 3000 HV. Dla przykładu powłoka CrN jest stosunkowo miękką powłoką o twardości 1700-1800 HV, w porównaniu z powloką AITiN o twardości 3200-3300 HV. Wszystkie analizowane powłoki PVD o twardości powyżej 2000 HV charakteryzują się występowaniem mechanizmu bruzdowania. Zróżnicowanie form zużycia ściernego spowodowane jest również wartościami zastosowanych obciążeń węzła tarcia. Dla powłoki CrN obciążenie wynosiło 0,2N, natomiast dla powłoki AITiN czy AICrN 0,6N. Niska wartość zastosowanego obciążenia dla powłoki CrN umożliwiła swobodne poruszanie się ziaren ścierniwa SiC między dwoma ciałami, inicjując formę zużycia przez toczenie (three-body abrasive wear). Przy trzykrotnie większym obciążeniu dystans między dwoma ciałami zmniejszył się, tym samym uniemożliwiając swobodne poruszanie się cząstek ścierniwa w węźle tarcia, co zainicjowało powstanie formy zużycia przez bruzdowanie (two-body abrasive wear).