Low friction Ti-B coatings deposited by dual beam IBAD method for wear resistant applications

ABSTRACT: Thin Ti-B coatings of 500 nm in thickness were deposited by dual beam ion beam assisted deposition method (DB IBAD) on the surfaces of sintered α-Al₂O₃ (with 1% vol. MgO) cutting inserts. Deposition of Ti-B coating was conducted in vacuum. Two beams of Ar+ ions were applied of the same energy of ~10 keV. First ion beam was directed to TiB₂ target at angle 67° and used for sputtering, the second one was directed perpendicularly to the surface of alumina substrate. XPS was applied to investigate chemical bonds in Ti-B coatings. Detailed spectra of B1s and Ti 2p indicated the presence of TiB₂, TiO₂ and B₂O₃. Mechanical properties of coated and uncoated alumina composites were examined by nanoindentation test using diamond indenter of Berkovich-type geometry, loaded in range 0.5 mN to 50 mN. The friction- wear performance of coated alumina were examined in ball-on-disc test using an alumina and a 100Cr6 steel balls as counterparts, loaded at 1 N. Cutting test was carried out in longitudinal turning of 100Cr6 steel shaft without use of any liquid coolant. Coated alumina inserts were harder and more resistant to wear than uncoated ones. The highest hardness of 45 GPa, was calculated by Oliver & Pharr method for coated sample tested under the load of 1 mN. It was almost 3 times the value calculated for uncoated substrate (16.5 GPa). The wear mechanism of Ti-B coated alumina was of abrasive type with alumina ball and of mixed abrasive and adhesive type in the case of friction contact with the steel ball. SEM observation of the surface of Ti-B coated alumina tools after turning revealed the presence of a liquid phase at the worn edge.

KEYWORDS: Ti-B coating, dual beam IBAD method, wear resistance, superalloy.

STRESZCZENIE: Powłoki typu Ti-B o grubości 500 nm zostały nałożone metodą dwuwiązkową IBAD ( ion beam assisted deposition) na powierzchnie płytek skrawających wytworzonych na drodze spiekania proszków α-Al₂O₃ (z dodatkiem 1% obj. MgO). Powłoki Ti-B nakładano w próżni (10^-4Pa), stosując dwie wiązki jonów Ar+ o tej samej energii ~10 keV. Pierwszą wiązkę jonów (rozpylającą) skierowano na powierzchnię tarczy TiB₂ pod kątem 67°, drugą wiązkę jonów skierowano prostopadle do powierzchni podłoży korundowych. Wiązania chemiczne w otrzymanych powłokach Ti-B badano metodą XPS. Zarejestrowane widma szczegółowe B1s oraz Ti2p wskazały na obecność TiB₂ oraz tlenków TiO₂ i B₂O₃. Właściwości mechaniczne podłoży z powłoką Ti-B oraz bez powłoki określono metodą nanoindentacji przy użyciu wgłębnika o geometrii Berkovicha, w zakresie obciążeń od 0,5 mN do 50 mN. Właściwości tribologiczno-zużyciowe określono w teście zużycia w geometrii kula-tarcza (ball-on-disc test) przy użyciu kulki korundowej oraz stalowej 100Cr6 (jako przeciwpróbki) przy obciążeniu 1 N. Testy skrawności przeprowadzono podczas toczenia wzdłużnego wałka ze stali 100Cr6 bez stosowania cieczy chłodząco-smarujących. Twardość i odporność na zużycie ścierne płytek z powłoką Ti-B były wyższe w porównaniu do płytek referencyjnych (bez powłoki). Najwyższą twardość 45 GPa, obliczono metodą Olivier & Phaar’a dla płytek z powłoką Ti-B przy obciążeniu wgłębnika 1 mN, co stanowiło niemal trzykrotnie wyższą wartość w stosunku do twardości zmierzonej dla podłoży bez powłoki (16,5 GPa). Zużycie płytek z powłoką w kontakcie ciernym z przeciwpróbką korundową miało charakter ścierny, a w przypadku współpracy z kulką stalową- miało charakter mieszany: ścierno-adhezyjny. Obserwacje SEM powierzchni narzędzi pokrytych powłoką Ti-B w obszarze krateru powstałego w próbie skrawności wykazały obecność fazy ciekłej na krawędzi zużytych ostrzy.

SŁOWA KLUCZOWE: powłoka Ti-B, metoda dwuwiązkowa IBAD, odporność na zużycie, nadstop.

BIBLIOGRAFIA / BIBLIOGRAPHY:

• KIMURA I., HOTTA N., HIRAOKA Y., SAITO N.: Sintering and characterization of Al₂O₃-TiB₂ composites, Journal of the European Ceramic Society 5 1 (1989), p. 23–27.
• DOBRZANSKI L.A., MIKUŁA J.: Structure and properties of PVD and CVD coated Al₂O₃+ TiC mixed oxide tool ceramics for dry on high speed cutting processes, Journal of Materials Processing Technology 164-165 (2005), p. 822-831.
• GRZESIK W.: Podstawy skrawania materiałów konstrukcyjnych, WNT Warsaw (2010),
• JIANXIN D., XING A., Effect of TiB₂ particle and SiC whisker additions on the friction and wear behaviors of Al₂O₃ ceramic. Journal of Advanced Materials 27 4 (1996), p. 32–36.
• MUNRO R.G.: Materials Properties of Titanium Diboride. Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology 105 5 (2000), p.709.
• JIANXIN D., TONGKUN C., LILI L.: Self-lubricating behaviors of Al₂O₃/TiB₂ ceramic tools in dry high-speed machining of hardened steel, Journal of the European Ceramic Society’ 25 (2005) p. 1073–10795.
• BERGER M., LARSSON M., HOGMARK S.,: Surface and Coating Technology 124 (2000), p. 253—261,
• VOEVODIN A. A., ZABINSKI J. S.: Supertough wear resistant coatings with “chameleon” surface adaptation. Thin Solid Films 370 (2000), p. 223-231.
• LIU Y., ERDEMIR A., MELETIS E.I.: An investigation of the relationship between graphitization and frictional behavior of DLC coatings. Surface and Coating Technology 86–87(1996), p. 564- 568.
• TALLANT D.R., PARMETER J.R., SIEGAL M.P., SIMPSON R.L.: The thermal stability of diamond-like carbon. Diamond And Related Materials 4 (1995), p.191-199,
• ERDEMIR A., BINDAL C., ZUIKER C., SAVRUN E.: Tribology of naturally occurring boric acid films on boron carbide, Surface and Coatings Technology 86-87 2 (1996), p. 507-510.
• SEVIM F., DEMIR F., BILEN M., OKUR H.: Kinetic analysis of thermal decomposition of boric acid from thermogravimetric data, Korean Journal of Chemical Engineering 23,5, (2006), p. 736-740.
• ZHANG Y., DING G.P., ZHOU Y.C., CAI B.C: Ti3SiC2 –a self lubricating ceramic. Materials Letters 55 (2002), p. 285-289.
• RAUSCHENBACH B.: Ion beam assisted deposition — a processing technique for preparing thin films for high-technology applications, Vacuum 69 (2003), p. 3–10.
• TWARDOWSKA A., RAJCHEL B., SZUTKOWSKA M., ZIMOWSKI S.: Tribological behavior of AISI 316L steel after deposition of Ti-Si-C/Ti-B coatings by dual beam IBAD method, Inżynieria Materiałowa” 04 194 XXXIX Sigma-NOT (2013), p. 186.

DOI: http://dx.doi.org/10.17814/mechanik.2015.2.95