MECHANICKÉ A TRIBOLOGICKÉ VLASTNOSTI TENKÝCH UHLÍKOVÝCH VRSTEV OBSAHUJÍCÍCH VYBRANÉ KOVY

Ing. Petr NOVÁK

Doctoral thesis

MECHANICAL AND TRIBOLOGICAL PROPERTIES OF CARBON THIN FILMS CONTAINING SELECTED METALS

Abstract:

Uhlíkové vrstvy obsahující různé koncentrace titanu a molybdenu byly nereaktivně deponovány DC magnetronovým naprašováním na nevyhřívaný křemíkový substrát, který byl na plovoucím potenciálu. Struktura povlaků byla určena rentgenovou difrakcí. Uspořádaní amorfního uhlíkové fáze bylo vyšetřováno Ramanovskou spektroskopií. Mechanické vlastnosti byly určeny mikrotvrdoměrem. Tribologické vlastnosti Me-C povlaků byly měřeny tribometrem v konfiguraci ball-on-disk za následujících podmínek: rychlost v=0.05 m/s, celková dráha byla l=1000m ( 53052 otáček) a zatížení kuličky WC L=2 N. Bylo zjištěno že Ti-C a Mo-C povlaky jsou amorfní, pokud je poměr C/Ti nebo C/Mo vyšší než 2,5. V opačném případě, struktura vrstev je nanokrystalická nebo polykrystalická. Hlavním výsledkem je zjištění, že nízká hodnota modifikovanÉHO Youngova modulu E* při určité hodnotě H je důležitá pro přípravu vrstev s nízkým koeficientem tření a malou rychlostí otěru. Vrstvy Ti-C a Mo-C s nízkým E* a tvrdostí H<20 GPa, které splňují podmínky H/E*>0.1 a H3/E*2 je v rozmezí od 0.15 do 0.3, vykazují nejnižší hodnoty ?<0.1 and k~10-7 mm3/Nm. Mo-C povlaky s Mo?10 at.% vykazují nízké hodnoty ?~0.08 and k~10-7 mm3/Nm. Koeficient tření amorfních Ti-C a Mo-C vrstev klesá s rostoucím zatížením L testovací WC kuličky. Nebyla nalezena žádná korelace mezi Ramanovským spektry a tribologickými vlastnostmi Me-C vrstev. Zjištění, že amorfní/nanokrystalická vrstva složená z nanozrn v amorfní matrici vykazuje nízké hodnoty E* vedoucí k H/E *> 0,1 a tedy vysoké elastické vratnosti má vědecký a praktický význam v oblasti vývoje nových samomazných ochranných povlaků, které vykazují vysokou odolnost proti opotřebení a současně vysokou tvrdost a vysokou pevnost.

Abstract:

Carbon coatings containing titanium and molybdenum were non-reactively sputtered in pure argon onto unheated Si substrate at a floating potential. A unbalanced magnetron was driven by DC power supply. The structure of the coatings was determined by X-ray diffraction. Ordering of the amorphous carbon matrix were characterized by Raman spectroscopy. Mechanical properties were evaluated from the load vs. displacement curves determined by a computer controlled microhardness tester. Tribological properties of the Me-C films were measured with the Ball-on-disk configuration under following conditions: WC ball, the rotation speed v=0.05 m/s, total sliding length l=1000 m and the load L=2 N. It was shown that both Ti-C and Mo-C coatings are amorphous since C/Ti or C/Mo ratio is higher than 2,5. Otherwise, the coating structure is nanocrystalline or polycrystalline. The main result of the investigation is the finding that the achievement of the lowest value E* at a given value of H is of key importance in the formation of films with low values of coefficient of friction ? and wear rate k. The Ti-C films with the low effective Young´s modulus E* and the microhardness H$<$20 GPa satisfying the condition that the ratio H/E*$>$0.1 and the ratio H3/E*2 (characterizing the resistance of film to plastic deformation) ranging from 0.15 to 0.3 exhibit the lowest values of friction<0.1 and k~10-7 mm3/Nm. Coefficient of  friction of amorphous Ti-C and Mo-C coating decreases with increasing load L of the testing ball. No direct correlation between Raman spectra and friction and wear rate of Me-C coatings was found. The finding that the amorphous/nanocrystalline composite film composed of the nc-grains embedded in the amorphous matrix exhibit low values of E* satisfying condition H/E*$>$0.1 and hence high elastic recovery is of great scientific and practical importance in the development of new well lubricating and well wear-resistant protective coatings exhibiting simultaneously high hardness and high toughness.

Keywords

nanokompozitní vrstvy, struktura, mechanické vlastnosti, tření, otěr, magnetronové naprašování

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 10. 2012

Accessible from:: 1. 10. 2012

Thesis defence

University of West Bohemia

Faculty of Applied Sciences

Doctoral programme / field:
Applied Sciences and Computer Engineering / Plasma Physics and Physics of Thin Films