Nanokompozitne i nanoslojne prevlake Univerzitet u Novom Sadu Fakultet tehničkih nauka Nanokompozitne i nanoslojne prevlake Aleksandar Miletić

Dizajna – arhitektura prevlaka Jednoslojna Gradijentna Višeslojna Nanokompozitna Nanoslojna

Šta su nanokompozitne prevlake? Nanokompozitna prevlaka sastoji se od nanokristalnih zrna jednog materijala i skeleta od drugog materijala Šematski prikaz različitih nanostruktura nanokompozitnih prevlaka. a) stubasta, b) nanozrna okružena matricom, c) mešavina nanozrna /18/.

Šta su nanokompozitne prevlake? Primer: TiSiN prevlaka = nc-TiN + a-Si3N4 TiN kristal Podloga Amorfni Si3N4 HRTEM snimak Ti-Si-N prevlake pripremljene hibridnim postupkom. TiN kristalna zrna veličine od 8 do 15 nm okružena su Si3N4 fazom. Elektronska difrakciona slika sa odabranog dela strukture (SAED), prikazana u gornjem desnom uglu, karakteristična je za TiN fazu. nc = nanokristalan a = amorfan

Vrste nanokompozitnih prevlaka Metalni nitrid okružen silicijum nitridom nc-MeN/a-Si3N4 i nc-MeN/a-SiNx Hrom nitrid okružen silicijum nitridom nc-CrN/a-Si3N4 Niobijum nitrid okružen silicijum nitridom nc-NbN/a-Si3N4 Vanadijum nitrid okružen silicijum nitridom nc‑VN/a‑SiNx Volfram nitrid okružen silicijum nitridom nc-W2N/a-Si3N4 Cirkonijum nitrid okružen silicijum nitridom nc-ZrN/SiNx

Vrste nanokompozitnih prevlaka Trokomponentni nitrid okružen silicijum nitridom nc-Me1Me2/a-Si3N4 i nc-Me1Me2N/a-SiNx Hrom aluminijum nitrid okružen silicijum nitridom nc-CrAlN/a-SiNx i nc-CrAlN/a-Si3N4 Titanijum aluminijum nitrid okružen silicijum nitridom nc-TiAlN/a-SiNx i nc-TiAlN/a-Si3N4 Titanijum aluminijum nitrid okružen silicijum nitridom i aluminijum nitridom nc-TiAlN/a-Si3N4/a-AlN

Vrste nanokompozitnih prevlaka Čvrsti nitridni rastvor okružen silicijum nitridom nc-MeSiN/a-SiNx Čvrsti rastvor aluminijum nitrida okružen silicijum nitridom nc-Al1-xSixN/a-SiNy Niobijum nitrid okružen silicijum nitridom nc-Cr1-xSixN/a-SiNy Metalni karbo nitrid okružen silicijum nitridom ili karbonitridom nc-MeCN/a-Si3N4 i nc-MeCN/a-SiCxNy Titanijum karbonitrid okružen silicijum karbonitridom nc-TiCN/a-SiCxNy Titanijum karbonitrid okružen silicijum nitridom nc-TiCN/a-Si3N4

Vrste nanokompozitnih prevlaka Metalni nitrid okružen bor nitridom nc-MeCN/a-Si3N4 i nc-MeCN/a-SiCxNy Titanijum nitrid okružen bor nitridom nc-TiN/a-BN Hrom nitrid okružen bor nitridom nc-CrN/a-BN Hrom aluminijum nitrid okružen bor nitridom nc-CrAlN/a-BN Ostali tipovi nanokompozitnih prevlaka TiC/a-C, TiN/CNx i ZrN/CNx, TiC/C+MoS2

Vrste nanokompozitnih prevlaka Metalni nitrid okružen metalom nc-Me1N/Me2; Me2 = Cu, Fe, Ni, Y, Mo, Ag, Co Hrom nitrid okružen niklom CrN/Ni Cirkonijum nitrid okružen itrijumom ZrN/Y Cirkonijum nitrid okružen bakrom ZrN/Cu Titanijum nitrid okružen niklom TiN/Ni Kod ovih nanokompozitnih prevlaka efekti ojačavanja mogu biti manje izraženi u poređenju sa onima kod kojih su kristali okruženi amorfnim nitridom ili karbidom, ali je njihova žilavost veća.

Osobine nanokompozitnih prevlaka Povećanje tvrdoće zbog smanjenja zrna Intergranularni procesi Klizanje po granicama zrna Intragranularni procesi Stvaranje i kretanje dislokacija Tvrdoća amorfno nanokristalno mikrokristalno ≈ 10 nm Veličina zrna Šematski prikaz odnosa tvrdoće materijala i veličine zrna /18/.

Uticaj hemijskog sastava na tvrdoću Uticaj udela silicijuma TiSiN MeSiN ili Me1Me2SiN

Osobine nanokompozitnih prevlaka Poređenje tvrdoće sa drugim prevlakama Tvrdi metal

Osobine nanokompozitnih prevlaka Povećanje otpornosti na lom Jednoslojna Nanokompozitna Smicajne pukotine Grananje pukotine 500 nm 20 nm TiN TiSiN

Osobine nanokompozitnih prevlaka Termalna stabilnost TiSiN TiAlSiN

Osobine nanokompozitnih prevlaka Termalna stabilnost TiBN CrN/Ni Prevlake kod kojih je keramička faza okružena metalom (npr. CrN/Ni) dobijaju se najčešće magnetronskim spaterovanjem pri kome se film snažno bombarduje jonima. Ovo bombardovanje izaziva zatezne napone koji rezultuju visokom tvrdoćom. Pri zagrevanju dolazi do otpuštanja napona i pada tvrdoće.

Nastanak nanokompozitne strukture Šematski prikaz mikrostrukture Al-Si-N prevlaka sa različitim udelom silicijuma. Oznaka "h" odnosi se na heksagonalni, a oznaka "a" označava amorfni.

Primena nanokompozitnih prevlaka Habanje pri bušenju čelika

Primena nanokompozitnih prevlaka Radni vek pri glodanju čelika

Primena nanokompozitnih prevlaka Postojanost pri probijanju

Primena nanokompozitnih prevlaka Postojanost pri izradi zupčanika

Šta su nanoslojne prevlake? Nanoslojna prevlaka sastoji se iz slojeva različtih materijala čija je debljina nekoliko nanometara. Par nm TiN/NbN Monokristalni AlN/NbN Polikristalni TEM snimci nanoslojnih prevlaka: a) monokristalna TiN/NbN [156], b) polikristalna AlN/NbN [157].

Otpornost na lom Jednoslojna Nanoslojna TiN/SiNx Grananje pukotine Smicajne pukotine 500 nm TiN

Vrste nanoslojnih prevlaka Titanijum nitrid i drugi metalni nitrid TiN/MeN i TiN/Me1Me2N TiN/AlN TiN/CrN TiN/NbN TiN/VN TiN/ZrN TiN/VNbN TiN/TiAlN

Vrste nanoslojnih prevlaka Hrom nitrid i drugi metalni nitrid CrN/MeN i CrN/Me1Me2N CrN/AlN CrN/NbN CrN/ZrN CrN/AlTiN CrN/CrAlN CrN/TiHfN CrN/TiSiN

Vrste nanoslojnih prevlaka Silcijum nitrid i metalni nitrid SiNx/MeN i SiNx/Me1Me2N SiNx/TiN SiNx/CrN SiNx/CrAlN SiNx/TiAlN Vanadijum nitrid i metalni nitrid VN/Me1Me2N VN/TiAlN VN/CrAlN

Vrste nanoslojnih prevlaka Cirkonijum nitrid i metalni nitrid ZrN/MeN i ZrN/Me1Me2N ZrN/AlN ZrN/WN ZrN/TiAlN Karbonitrid i metalni nitrid CNx/MeN CNx/TiN CNx/CrN CNx/ZrN

Vrste nanoslojnih prevlaka Karbid i nitrid MeC/MeN, MeC/Me1Me2N WC/TiN WC/TiAlN SiC/TiN SiC/CrAlN BCN/CrN

Vrste nanoslojnih prevlaka Karbonitrid/nitrid i karbonitrid/karbonitrid Me1CN/Me2N, Me1CN/Me2Me3N TiCN/ZrCN TiCN/TiNbCN CrCN/CrN CrCN/CrAlYCN VCN/TiAlCN

Značaj debljine slojeva Tvrdoća nanoslojnih monokristalnih TiN/VN prevlaka u funkciji debljine dvosloja. Debljine individualnih TiN i VN slojeva su iste za svaku debljinu dvosloja, tj. lTiN/lVN = 1 [8].

Značaj debljine slojeva Zavisnost tvrdoće pojedinih nanoslojnih prevlaka od debljine dvosloja. Rezultati su preuzeti iz sledećih referenci: CrAlN/SiNx [175], CrN/AlN [9], TiAlN/CrAlN [190], TiAlN/Si3N4 [233], TiB2/VC [225], TiN/NbN [139], TiN/SiC [203], TiN/SiN [167], TiN/VN [8].

Mikrostruktura TiAlN/TiSiN 250 nm 500 nm Čelik (220) (200) (111) Understanding the physical properties of complex coating systems requires a detailed knowledge of their microstructure. The goal is to find the relationship between structure and properties. 500 nm Čelik

Mikrostruktura TiAlN/TiSiN 20 nm 250 nm (220) (200) (111) (220) (200)

Topografija površine TiAlN TiAlN/TiSiN

Tribološke osobine TiAlN CrAlN/TiSiN

Primena nanoslojnih prevlaka Nanoslojne prevlake upotrebljavaju se praktično u svim oblastima u kojima se koriste i klasične, jednoslojne tvrde prevlake. Zahvaljujući boljim osobinama, nanoslojne prevlake pružaju bolju zaštitu i veću trajnost prevučenim elementima. Na sledećim stranicama ove prezentacije prikazano je samo nekoliko primera primene nanoslojnih prevlaka.

Primena nanoslojnih prevlaka Trajnost pri glodanju Na slici je dato poređenje trajnosti alata sa TiN, TiCN, TiAlN i TiAlCrN/TiAlYN prevlakom. Reč je o obradi čelika HRC 58 (100CrMoV51) glodanjem, prečnik glodala 6mm, brzina rotacije glodala 30000 rpm, pomak 6 m/min. Prikaz prevučenog glodala u operaciji visoko brzinskog rezanja bez podmazivanja Trajnost glodala od tvrdog metala prevučenog TiN, TiCN, TiAlN i nanoslojnom TiAlCrN/TiAlYN prevlakom

Primena nanoslojnih prevlaka TiAlN/VN superrešetke - mogućnosti primene Nizak koeficijent trenja ovih prevlaka na sobnoj, ali i na povišenim temperaturama određuje oblast njihove primene. Ove prevlake koriste se za zaštitu alata za obradu mekših i „lepljivijih“ materijala, kao što su legure bazirane na Ni i Al. Modifikovana TiAlN/VN superrešetka sa dodatkom od 2% Y pokazuje izuzetne performanse pri glodanju. Na slici je dato poređenje veka trajanja neprevučenog alata od tvrdog metala, alata prevučenog TiCN prevlakom i alata prevučenog nanoslojnom TiAlYN/VN prevlakom. Reč je o glodalu prečnika 8 mm kojim je vršeno rezanje bez podmazivanja čelika EN24 HRC 38, brzina rezanja 385 m/min, pomak 0.2 mm/o i dubina 3.8 mm. Životni vek glodala od tvrdog metala prevučenog različitim PVD prevlakama

Primena nanoslojnih prevlaka TiAlN/VN superrešetke - mogućnosti primene Druga moguća primena TiAlN/VN prevlaka je obrada žilavih materijala kao što su Inconel (legura nikla) i nerđajući čelik. Na slici je dat vek trajanja različitih prevlaka pri obradi legure Inconel 718 HRC 43, brzina rezanja 90 m/min, dubina 0.5 mm, pomak 0.2 mm/o. Životni vek glodala od tvrdog metala prevučenog TiAlN i TiAlN/VN prevlakom pri rezanju bez podmazivanja

Primena nanoslojnih prevlaka TiAlCrN/TiAlYN - mogućnosti primene TiAlCrN/TiAlYN prevlaka koristi se za prevlačenje alata u industriji stakla, alata za provlačenje, alata za kovanje i alata za livenje. kalup za livenje aluminijumskih felni Kalup za ekstruziju i odgovarajući proizvod precizni alat za kovanje lopatica avionskih motora Bez prevlake pravi 2800, a sa prevlakom 4000 komada. Bez prevlake (čelik H13) pokazuje značajna oštećenja nakon izrađenih 700 komada, alat sa TiAlCrN/TiAlYN prevlakom i nakon 1600 komada ima samo manje pohabane površine i može još da se koristi Prevučen alat ima dva puta duži vek trajanja

Primena nanoslojnih prevlaka CrN/NbN superrešetke – primena u tekstilnoj industriji Delovi mašina koje se koriste u tekstilnoj industriji izloženi su snažnom habanju i koroziji koja se javlja usled agresivnosti materijala ili okruženja. Vlakna koja se koriste, kao što su poliester, polipropilen i poliamid često sadrže TiO2. Zajedno sa česticama prašine, kao što je SiO2, ovi abrazivni materijali pretvaraju se u beskrajno duge testere koje mogu da seku čak i najtvrđe keramičke delove mašina koje se koriste u tekstilnoj industriji. Sa druge strane, korozija se javlja najviše usled visoke vlažnosti koju zahteva sam proces. Pored trenja i korozije ovi delovi izloženi su i promenjivim opterećenjima koja dovode do zamora materijala. Pored dobrih mehaničkih osobina i hemijske stabilnosti površina delova ovih mašina mora biti glatka. CrN/NbN prevlaka obezbeđuje glatku površinu, visoku otpornost na habanje i visoku otpronost na koroziju. Primer primene su makaze za sečenje tekstilnih vlakana.

Primena nanoslojnih prevlaka CrN/NbN superrešetke – ostala primena Pored tekstilne industrije zahvaljujući svojoj biokompatibilnosti, otpornosti na habanje i koroziju CrN/NbN prevlake mogu da se koriste u proizvodnji hrane. Pored toga koriste se u štamparskoj industriji (noževi za sečenje nalepnica-etiketa), za prevlačenje hirurških noževa itd. Noževi za sečenje nalepnica-etiketa Noževi i rešetke za mlevenje mesa

Hvala na pažnji !