Investigation of the structural-phase state and mechanical properties of ZrCrN coatings obtained by plasma-assisted vacuum arc evaporation

Abstract

Introduction. Modern technologies allow the synthesis of nanostructured coatings from multiple chemical elements to combine different physical, mechanical, and chemical properties in one coating. Promising in this respect are coatings formed via layer-by-layer deposition of zirconium and chromium nitrides. The deposition of various chemical elements on various substrates requires separate studies in order to produce high-strength and wear-resistant coatings. The purpose of this work is to study the structural-phase state and mechanical properties of ZrCrN coatings formed by plasma-assisted vacuum arc evaporation. Materials and methods. The investigation is performed on specimens comprising VK8 hard alloy substrates with zirconium and chromium nitride coatings as well as with multilayer ZrCrN coatings. The methods used are confocal laser scanning microscopy, X-ray diffraction analysis, high-resolution scanning electron microscopy, nanoindentation, and scratching. Results and discussion. The experimental results obtained showed that the mode of multilayer ZrCrN coating evaporation greatly affects the structure, morphology, surface roughness, and mechanical properties of the coatings. In particular, by varying the substrate rotation speed during coating deposition it is possible to control the deposition time of each coating layer and thereby modify the layer properties. Conclusions. The investigation results showed that variation of the evaporation conditions allows one to obtain a ZrCrN coating with a high nanohardness of 45 GPa on a VK8 alloy substrate. Analysis of mechanical test results indicate good adhesion between the studied coatings and the substrate. Scratch tests revealed that fracture of CrN and ZrN coatings occurs by the cohesive mechanism, and the surface of ZrCrN coatings exhibits uniform scratches without any signs of fracture. Based on the results obtained, ZrCrN-2…ZrCrN-4 coatings can be recommended for use as hard and wear-resistant coatings.

About the authors

A. V. Filippov

Email: andrey.v.filippov@yandex.ru
Ph.D. (Engineering); Institute of Strenght Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation; andrey.v.filippov@yandex.ru

N. N. Shamarin

Email: shnn@ispms.ru
Institute of Strenght Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation; shnn@ispms.ru

E. N. Moskvichev

Email: em_tsu@mail.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics); Institute of Strenght Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation; em_tsu@mail.ru

O. S. Novitskaya

Email: nos@ispms.tsc.ru
Institute of Strenght Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation; nos@ispms.tsc.ru

E. O. Knyazhev

Email: zhenya4825@gmail.com
Institute of Strenght Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation; zhenya4825@gmail.com

Y. A. Denisova

Email: yukolubaeva@mail.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics); Institute of High Current Electronics SB RAS, 2/3 Akademichesky Avenue, Tomsk, 634055, Russian Federation; yukolubaeva@mail.ru

A. A. Leonov

Email: laa-91@yandex.ru
Institute of High Current Electronics SB RAS, 2/3 Akademichesky Avenue, Tomsk, 634055, Russian Federation; laa-91@yandex.ru

V. V. Denisov

Email: volodyadenisov@yandex.ru
D.Sc. (Engineering); Institute of High Current Electronics SB RAS, 2/3 Akademichesky Avenue, Tomsk, 634055, Russian Federation; volodyadenisov@yandex.ru

References

  1. Tribology of multilayer coatings for wear reduction: a review / M. Khadem, O.V. Penkov, H.K. Yang, D.E. Kim // Friction. – 2017. – Vol. 5 (3). – P. 248–262. – doi: 10.1007/s40544-017-0181-7.
  2. Krella A. Resistance of PVD coatings to erosive and wear processes: a review // Coatings. – 2020. – Vol. 10 (10). – P. 921. – doi: 10.3390/COATINGS10100921.
  3. Каменева А.Л., Сушенцов Н.И., Клочков А. Зависимость морфологии, свойств, теплового и напряженного состояния пленок от технологических параметров магнетронного распыления // Технология металлов. – 2010. – № 11. – С. 38–42.
  4. Effect of thermal annealing in vacuum and in air on nanograin sizes in hard and superhard coatings Zr-Ti-Si-N / A.D. Pogrebnjak, A.P. Shpak, V.M. Beresnev, D.A. Kolesnikov, Yu.A. Kunitskii, O.V. Sobol, V.V. Uglov, F.F. Komarov, A.P. Shypylenko, N.A. Makhmudov, A.A. Demyanenko, V.S. Baidak, V.V. Grudnitskii // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. – 2012. – Vol. 12, N 12. – P. 9213–9219. – doi: 10.1166/jnn.2012.6777.
  5. Nanoindentation induced plastic deformation in nanocrystalline ZrN coating / Z.T. Wu, Z.B. Qi, D.F. Zhang, Z.C. Wang // Materials Letters. – 2016. – Vol. 164. – P. 120–123. – doi: 10.1016/j.matlet.2015.10.091.
  6. Characterization of zirconium nitride coatings deposited by cathodic arc sputtering / K.A. Gruss, T. Zheleva, R.F. Davis, T.R. Watkins // Surface and Coatings Technology. – 1998. – Vol. 107, iss. 2–3. – P. 115–124. – doi: 10.1016/S0257-8972(98)00584-2.
  7. Atar E., Çimenoglu H., Kayali E.S. Effect of oxidation on the wear behavior of a ZrN coating // Key Engineering Materials. – 2005. – Vol. 280. – P. 1459–1462. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/kem.280-283.1459' target='_blank'>www.scientific.net/kem.280-283.1459.
  8. Flexible hydrophobic ZrN nitride films / J. Musil, S. Zenkin, Š. Kos, R. Cerstvý, S. Haviar // Vacuum. – 2016. – Vol. 131. – P. 34–38. – doi: 10.1016/j.vacuum.2016.05.020.
  9. Mo J.L., Zhu M.H. Tribological characterization of chromium nitride coating deposited by filtered cathodic vacuum arc // Applied Surface Science. – 2009. – Vol. 255, iss. 17. – P. 7627–7634. – doi: 10.1016/j.apsusc.2009.04.040.
  10. Evaluation of adhesive behaviors of chromium nitride coating films produced by arc ion plating method / R.I. Murakami, Y.H. Kim, K. Kimura, D. Yonekura, D.H. Shin // JSME International Journal Series A, Solid Mechanics and Material Engineering. – 2006. – Vol. 49, iss. 1. – P. 123–129. – doi: 10.1299/jsmea.49.123.
  11. Effect of chromium nitride coating on the corrosion and wear resistance of stainless steel / J. Jagielski, A.S. Khanna, J. Kucinski, D.S. Mishra, P. Racolta, P. Sioshansi, E. Tobin, J. Thereska, V. Uglov, T. Vilaithong, J. Viviente, S.-Z. Yang, A. Zalar // Applied Surface Science. – 2000. – Vol. 156, iss. 1–4. – P. 47–64. – doi: 10.1016/S0169-4332(99)00350-5.
  12. Corrosion prevention of chromium nitride coating with an application to bipolar plate materials / J. Park, P. Kusumah, Y. Kim, K. Kim, K. Kwon, C.K. Lee // Electrochemistry. – 2014. – Vol. 8, iss. 8. – P. 658–662. – doi: 10.5796/electrochemistry.82.658.
  13. Multilayered chromium/ chromium nitride coatings for use in pressure die-casting / A. Lousa, J. Romero, E. Martínez, J. Esteve, F. Montalà, L. Carreras // Surface and Coatings Technology. – 2001. – Vol. 146. – P. 268–273. – doi: 10.1016/S0257-8972(01)01476-1.
  14. Control of microstructures and properties of dc magnetron sputtering deposited chromium nitride films / Z.G. Zhang, O. Rapaud, N. Bonasso, D. Mercs, C. Dong, C. Coddet // Vacuum. – 2008. – Vol. 82, iss. 5. – P. 501–509. – doi: 10.1016/j.vacuum.2007.08.009.
  15. Thermal stability and corrosion resistance of Cr/CrN multilayer coatings on Ti6Al4V alloy / P. Wiecinski, J. Smolik, H. Garbacz, K.J. Kurzydlowski // Solid State Phenomena. – 2015. – Vol. 237. – P. 47–53. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/SSP.237.47' target='_blank'>www.scientific.net/SSP.237.47.
  16. Microstructure of thick chromium-nitride coating synthesized using plasma assisted MOCVD technique / A. Dasgupta, A. Premkumar, F. Lawrence, L. Houben, P. Kuppusami, M. Luysberg, K.S. Nagaraja, V.S. Raghunathan // Surface and Coatings Technology. – 2006. – Vol. 201, iss. 3–4. – P. 1401–1408. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2006.02.005.
  17. Shapovalov Y.A., Lee D.B. High temperature oxidation of TiAl (La) N coating deposited on a steel substrate by arc-ion plating // Materials Science Forum. – 2006. – Vol. 510. – P. 410–413.
  18. Milošev I., Strehblow H.H., Navinšek B. Comparison of TiN, ZrN and CrN hard nitride coatings: electrochemical and thermal oxidation // Thin Solid Films. – 1997. – Vol. 303, iss. 1–2. – P. 246–254. – doi: 10.1016/S0040-6090(97)00069-2.
  19. Maksakova O.V., Pogrebnjak O.D., Beresnev V.M. Features of investigations of multilayer nitride coatings based on Cr and Zr // Успехи физики металлов. – 2018. – Т. 19, № 1. – C. 25–48. – doi: 10.15407/ufm.19.01.025.
  20. Microstructures and tribological properties of CrN/ZrN nanoscale multilayer coatings / Z.G. Zhang, O. Rapaud, N. Allain, D. Mercs, M. Baraket, C. Dong, C. Coddet // Applied Surface Science. – 2009. – Vol. 255, iss. 7. – P. 4020–4026. – doi: 10.1016/j.apsusc.2008.10.075.
  21. Fracture resistant and wear corrosion performance of CrN/ZrN bilayers deposited onto AISI 420 stainless steel / N.A. de Sánchez, H.E. Jaramillo Suárez, Z. Vivas, W. Aperador, C. Amaya, J.C. Caicedo // Advanced Materials Research. – 2008. – Vol. 38. – P. 63–75. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/amr.38.63' target='_blank'>www.scientific.net/amr.38.63.
  22. Kim M.K., Kim G.S., Lee S.Y. Synthesis and characterization of multilayer CrN/ZrN coatings // Metals and Materials International. – 2008. – Vol. 14, N 4. – P. 465–470. – doi: 10.3365/met.mat.2008.08.465.
  23. Enhancing mechanical and tribological performance of multilayered CrN/ZrN coatings / J.J. Zhang, M.X. Wang, J. Yang, Q.X. Liu, D.J. Li // Surface and Coatings Technology. – 2007. – Vol. 201, iss. 9–11. – P. 5186–5189. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2006.07.093.
  24. Structural and mechanical properties of multilayered gradient CrN/ZrN coatings / D.J. Li, F. Liu, M.X. Wang, J.J. Zhang, Q.X. Liu // Thin Solid Films. – 2006. – Vol. 506. – P. 202–206. – doi: 10.1016/j.tsf.2005.08.031.
  25. Magnetron sputtering deposition of polycrystalline CrN/ZrN superlattice coatings / M.X. Wang, J.J. Zhang, Q.X. Liu, D.J. Li // Surface Review and Letters. – 2006. – Vol. 13, N 2–3. – P. 173–177. – doi: 10.1142/s0218625x06008177.
  26. Возможности структурной инженерии в многослойных вакуумно-дуговых ZrN/CrN-покрытиях путем изменения толщины нанослоев и подачи потенциала смещения / О.В. Соболь, А.А. Андреев, В.Ф. Горбань, В.А. Столбовой, А.А. Мейлехов, А.А. Постельник // Журнал технической физики. – 2016. – Т. 86, № 7. – С. 100–103.
  27. Influence of pressure of working atmosphere on the formation of phase-structural state and physical and mechanical properties of vacuum-arc multilayer coatings ZrN/CrN / O.V. Sobol’;, A.A. Andreev, V.F. Gorban’;, V.A. Stolbovoy, A.A. Meylekhov, A.A. Postelnyk, A.V. Dolomanov // Вопросы атомной науки и техники. – 2016. – № 1 (101). – С. 134–139.
  28. Structural engineering of the vacuum Arc ZrN/CrN multilayer coatings / O.V. Sobol’;, A.A. Andreev, V.F. Gorban’;, A.A. Meylekhov, A.A. Postelnyk, V.A. Stolbovoy // Journal of Nano- and Electronic Physics. – 2016. – Vol. 8, N 1. – P. 01042-1.
  29. The effect of Cr/Zr chemical composition ratios on the mechanical properties of CrN/ZrN multilayered coatings deposited by cathodic arc deposition system / S.F. Chen, Y.C. Kuo, C.J. Wang, S.H. Huang, J.W. Lee, Y.C. Chan, J.G. Duh, T.E. Hsieh // Surface and Coatings Technology. – 2013. – Vol. 231. – P. 247–252. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2012.03.002.
  30. Mechanical and tribological properties evaluation of cathodic arc deposited CrN/ZrN multilayer coatings / S.H. Huang, S.F. Chen, Y.C. Kuo, C.J. Wang, J.W. Lee, Y.C. Chan, H.W. Chen, J.G. Duh, T.E. Hsieh // Surface and Coatings Technology. – 2011. – Vol. 206, iss. 7. – P. 1744–1752. – doi: 10.1016/j.surfcoat.2011.10.029.
  31. Nanoscale architecture of ZrN/CrN coatings: microstructure, composition, mechanical properties and electrochemical behavior / P.M. Samim, A. Fattah-alhosseini, H. Elmkhah, O. Imantalab // Journal of Materials Research and Technology. – 2021. – Vol. 15. – P. 542–560. – doi: 10.1016/j.jmrt.2021.08.018.
  32. Effect of heat input on phase content, crystalline lattice parameter, and residual strain in wire-feed electron beam additive manufactured 304 stainless steel / S.Yu. Tarasov, A.V. Filippov, N.L. Savchenko, S.V. Fortuna, V.E. Rubtsov, E.A. Kolubaev, S.G. Psakhie // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2018. – Vol. 99. – P. 2353–2363. – doi: 10.1007/s00170-018-2643-0.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».