Caratterizzazione microstrutturale e meccanica di rivestimenti nanostrutturati per acciai da utensile

The majority of modern tools are nowadays coated with hard coatings that increase the hardness, decrease the coefficient of friction and protect the tools against oxidation. Multicomponent and nanostructured materials represent a promising class of protective hard coatings due to their enhanced mechanical and thermal oxidation properties. Surface properties modification is an effective way to improve the performances of materials subjected to thermo-mechanical stress. Three different thin hard nitrogen-rich coatings were mechanically, microstructurally, and thermally characterized: a 2.5 micron-thick CrNNbN, a 11.7 micron-thick TiAlN, and a 2.92 micron-thick AlTiCrxNy. The CrN-NbN coating main feature is the fabrication by the alternate deposition of 4nm thick-nanolayer of NewChrome. All the three coatings can reach hardness and elastic modulus in excess of 20, and 250 GPa, respectively. The here studied TiAlN is one of the latest evolution of TiAlN coatings for cutting applications, where maximum resistance to wear and oxidation are required. The AlTiCrN combines the very high wear resistance characteristic of the Crcoatings and the high thermal stability and high-temperature hardness typical of Alcontaining coatings. All the coatings were deposited on a HS600 tool steels. The coatings were subjected to two different thermal cycling tests: one for 100 thermal cycles consisting of 60 s dwelling time, respectively at the high- (573 to 1173 K) and at the roomtemperature, a second for 100 thermal cycles consisting of 115s dwelling time, at same temperatures of the first test, followed by 5s dwelling at room-temperature. The investigated coatings showed a sufficient-to-optimal thermal response in terms of stability of hardness, elastic modulus, and oxidation behavior. The temperature induced hardness and elastic modulus coating variations were measured by nanoindentation.

La maggior parte dei moderni strumenti di acciaio per utensili vengono oggi rivestiti con rivestimenti duri che aumentano la durezza, diminuiscono il coefficiente di attrito e proteggere gli strumenti dall'ossidazione. I rivestimenti multi-componente,multi-strato e nano-struturati sono in grado di garantire livelli di durezza, resistenza al taglio, resistenza ad ossidazione, anche per temperature al disopra dei 650 K. Il presente lavoro mostra i risultati ottenuti nella caratterizzazione comparativa di tre rivestimenti sottili nanostrutturati innovativi, applicati su un acciaio per utensile HS600 sottoposti a cicli termici. Un primo rivestimento nano-strutturato spesso 2.6 μm di CrNNbN, un secondo rivestimento monostrato TiAlN spesso 11.7 μm, un terzo rivestimento multistrato spesso 2.9 μm più complesso e costituito da AlTiCrN. I test di ciclaggio termico hanno previsto cicli di 60 s di permanenza ad alta temperatura seguiti da permanenze per altrettanti 60 s a temperatura ambiente, e cicli di 115 s di permanenza ad alta temperatura seguiti da permanenze per soli 5 s a temperatura ambiente. Il numero totale di cicli è stato fissato in 100 con temperature nell'intervallo 573 - 1273 K. Per tutte le condizioni sperimentali testate, sono stati eseguiti test di nanodurezza, e misure di rugosità, oltre a verifiche strutturali mediante FEGSEM. Alla temperatura di 1173K il rivestimento nano-strutturato ha mostrato segni di ossidazione accompagnati da una consistente riduzione della durezza, pari ad un dimezzamento rispetto la condizione come-depositato. Al contrario il modulo elastico non subisce alcuna significativa riduzione fino alla massima temperatura testata di 1273 K. Il rivestimento multistrato ha mostrato proprietà meccaniche eccezionali, quali alta resistenza all'ossidazione e valori di durezza stabili a 20-22 GPA. La rugosità rimane inalterata per tutte le temperature testate mostrando così una adeguata stabilità dimensionale del rivestimento.