Corrosion behaviour of steel with PVD CrxN coatings

The application of PVD coatings for wear protection of tools is well known. Since many years, TiN coated cutting and forming tools are state of the art. In contrast, the application of PVD coatings on machine parts is not standard today. This is caused by the problems of coating deposition on components as well as the fact that wear protection and corrosion protection is demanded for many parts with longer lifetime. TiN produced by means of PVD technique is good for wear protection, but with respect to corrosion there are problems. On the other hand electropolated chromium is a reliable coating to resist corrosion, but wear resistance is limited. PVD CrxN coatings promise to combine the advantages of hard coatings and electropolated chromium. The present study focuses on the corrosion properties of magnetron sputtered CrxN coatings. Different types of coatings on steel substrates with various amounts of nitrogen were investigated in order to take into account aspects of coating deposition resp. coating material, coating structure and coating morphology. Additionally several graded and multilayer coatings were studied to show influences of coating system design. Electroplated hard chromium was used as reference material for corrosion resistance. To explain the corrosion behaviour, crystallographic phases and structure of coatings were analysed by X-ray diffraction and morphology by SEM. It could be shown that the corrosion behaviour depends on all these parameters and that 8 μm chromium nitride provides the same corrosion protection as 48 μm electroplated chromium. Korrosionsverhalten von CrxN beschichtetem Stahl Anwendungen von PVD-Beschichtungen im Bereich des Verschleisschutzes, z. B. TiN-Schichten auf Zerspanungs- und Umformwerkzeugen sind Stand der Technik. Im Gegensatz dazu sind Anwendungen von PVD-Schichten auf Bauteilen kaum im Einsatz. Grunde hierfur sind unter anderem Probleme bei der Schichtabscheidung, aber auch die fur Bauteile im Gegensatz zu Werkzeugen typischen kombinierten Anforderungen bzgl. Verschleis- und Korrosionsschutz. TiN (PVD) zeichnet sich durch gute Verschleiseigenschaften, nicht aber durch die Verbesserung von Korrosionseigenschaften aus. Bei galvanisch abgeschiedenen Chromschichten kann man hingegen von gutem bzw. verlasslichem Korrosionsschutz bei hinlanglich ausreichendem Verschleiswiderstand sprechen. PVD CrxN Schichtsysteme scheinen die Vorteile von Hartstoffschichten und galvanisch abgeschiedenen Chromschichten zu vereinen. Inhalt dieser Arbeit sind die Korrosionseigenschaften von mittels HF-Magnetronsputtern abgeschiedenen CrxN Schichten. Die dazu untersuchten auf Stahlsubstraten abgeschiedenen Schichtsysteme unterscheiden sich in ihrem Schichtaufbau (Gardientenschicht, Mehrlagenschicht) und in ihrer stofflichen Zusammensetzung (Stickstoffgehalt). Es konnte gezeigt werden, das das Korrosionsverhalten von allen Aufbauparametern abhangt und das 8 μm Chromnitrid denselben Korrosionsschutz liefern kann, wie 48 μm galvanisch abgeschiedenes Chrom.