Hard coatings on light-metal components under mechanical surface loading

In this work the behaviour of hard coated light-metal components was investigated when they are mechanically loaded. Three lightmetal alloys, Ti-6Al-4V, AlSi7Mg and AlMgSi0.5 and 100Cr6 steel (as a reference material) were coated by two different physical vapour deposition processes: radio frequency magnetron sputtering and electron beam evaporation. The coating materials utilised were CrN and TiN. Standard test methods with different loading conditions were used to evaluate the substrate/coating-combinations: the hardness test (applying a static normal load), the scratch test (applying a combination of a static normal and a static tangential force) and the impact test (applying a dynamic normal load). It was observed that the load support of coated materials depends on the loading conditions. The coated aluminium alloys showed poor load support under all loading test conditions but produced a higher surface hardness than uncoated steel. Coated Ti-6Al-4V showed very good load support properties, similar to coated steel. All coated light-metal substrates demonstrated significant improvement in load support behaviour with an increase in coating thickness. The results of the scratch test, which is commonly used to asses adhesion properties of thin coatings, showed an immediate indenter-breakthrough on the aluminium alloy substrates, but causing no coating delamination. Due to this behaviour, the scratch test is not suitable to evaluate adhesion properties on coated soft light-metals. Yet the impact test allowed assessment of coating delamination on the aluminium alloys, proving its usefulness for adhesion measurement even on soft substrates. The study indicates that substitution of steel with coated lightmetal alloys is a viable proposition for certain applications. Hartstoffschichten auf Leichtmetall-Komponenten unter mechanischer Oberflachenbeanspruchung In der vorliegenden Studie wurde das Verhalten von hartstoffbeschichteten Leichtmetallkomponenten unter mechanischer Oberflachenbeanspruchung untersucht. Hierzu wurden drei Leichtmetallegierungen (Ti-6Al-4V, A1Si7Mg und AlMgSi0.5) sowie 100Cr6 – Stahl (als Vergleichsmaterial) mit zwei unterschiedlichen PVD-Verfahren beschichtet: radio frequency magnetron sputtering und electron beam evaporation. Als Schichtmaterialien wurden CrN und TiN verwendet. Um die verschiedenen Substrat/Schicht-Kombinationen hinsichtlich ihres Belastungsvermogens zu beurteilen, wurden Standard-Testmethoden angewendet, die jeweils eine andere Lastsituation simulieren: der Hartetest (der eine statische Normalkraft aufbringt), der Ritztest (der eine statische Normalkraft mit einer statischen Tangentialkraft uberlagert) und der Impacttest (der eine dynamische Normalkraft aufbringt). Es wurde beobachtet, das das Belastungsvermogen beschichteter Materialien von der vorherrschenden Lastsituation abhangt. Die beschichteten Aluminiumlegierungen wiesen unter allen getesteten Lastsituationen ein geringes Belastungsvermogen auf. Allerdings zeigten sie eine hohere Oberflachenharte als unbeschichteter Stahl. Beschichtetes Ti-6Al-4V wies ein hohes Belastungsvermogen auf, vergleichbar mit beschichtetem Stahl. Bei samtlichen beschichteten Leichtmetallsubstraten war eine signifikante Verbesserung des Belastungsvermogens mit zunehmender Schichtdicke zu erkennen. An den Ergebnissen des Ritztests, welcher weitverbreitet zur Untersuchung der Haftung dunner Schichten eingesetzt wird, war auf den Aluminiumsubstraten ein sofortiger Durchbruch des Prufdiamanten durch die Schichten zu beobachten. Es traten keinerlei Abplatzungen auf. Aufgrund dieses Verhaltens erscheint der Ritztest nicht geeignet, um die Schichthaftung auf Leichtmetallsubstraten zu untersuchen. Im Gegensatz dazu wies das Schadensbild des Impacttests auch auf den Aluminiumsubstraten Schichtabplatzungen auf, was auf dessen Eignung zur Beurteilung des Haftungsvermogens dunner Schichten auf sehr weichen Substraten schliesen last. Die Studie zeigt, das in bestimmten Anwendungsgebieten eine Substitution des Stahls durch hartstoffbeschichtete Leichtmetallegierungen moglich ist.