Experimental and theoretical wear analysis of thin ceramic coatings in tribological contact

W artykule przedstawiono model służący do prognozowania zużycia cienkich powłok ceramicznych pracujących w styku skoncentrowanym. Opracowany model oparty jest o prawo zużycia Archarda, które uzależnia przyrost objętości materiału usuwanego ze strefy styku w wyniku zużycia od: współczynnika zużycia, nacisków w strefie styku oraz drogi tarcia i przyrostu pola styku. Zarówno w modelu, jak i w testach parę tribologiczną stanowiły kula i płaska powierzchnia. Kula o średnicy 1 mm wykonana z Al2O3 współpracowała z powłoką TiN, dwoma powłokami kompozytowymi typu nc-TiN/a-C oraz powłoką nc-WC/a-C. Na podstawie obserwacji mikroskopowych i analizy profilu bruzdy stwierdzono głównie ścierny charakter zużycia, dominujący w zakresie małych obciążeń, kiedy układ powłoka/podłoże nie ulega znaczącej deformacji. Porównanie wyników badań symulacyjnych z eksperymentalnymi wskazuje, że przyjęty model umożliwia szacowanie zużycia powłok ceramicznych w oparciu o parametry materiałowe oraz warunki tarcia.The article presents the model used to predict wear of thin ceramic coatings working in tribological contact. The model is based on the Archard wear law and contact mechanics. The cooperation of elements in the ball/plane system in the elastic deformation range was established. Wear simulations were compared with the results obtained from tribological tests in a ball-on-disc machine. The tribological pair consisted of TiN coating or nc-WC/aC and nc-TiN/aC composite coatings as the discs and alumina ball with diameter of 1mm as the counterpart. Microscopic observations and grove profiles analysis shows abrasion as the dominant mechanism of wear. This model allows the estimation of the durability of ceramic coatings based on the mechanical properties of material and friction parameters