High temperature tribological behaviour of PVD coated tool steel and aluminium under dry and lubricated conditions

  • PDF / 8,503,299 Bytes
  • 20 Pages / 595.22 x 790.976 pts Page_size
  • 62 Downloads / 204 Views

DOWNLOAD

REPORT


ISSN 2223-7690 CN 10-1237/TH

RESEARCH ARTICLE

High temperature tribological behaviour of PVD coated tool steel and aluminium under dry and lubricated conditions   Justine DECROZANT-TRIQUENAUX1,*, Leonardo PELCASTRE1, Cédric COURBON2, Braham PRAKASH1,3, Jens HARDELL1 1

Division of Machine Elements, Luleå University of Technology, SE-97187, Sweden

2

Université de Lyon, CNRS, Ecole Nationale d'Ingénieurs de Saint-Etienne, LTDS UMR5513, F-42023, France

3

Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084 China

Received: 11 February 2020 / Revised: 09 July 2020 / Accepted: 26 July 2020

© The author(s) 2020. Abstract: Aluminium alloys are commonly used as lightweight materials in the automotive industry. This  non‐ferrous family of metallic alloys offers a high versatility of properties and designs. To reduce weight  and  improve  safety,  high  strength‐to‐weight  ratio  alloys  (e.g.  6XXX  and  7XXX),  are  increasingly  implemented  in  vehicles.  However,  these  alloys  exhibit  low  formability  and  experience  considerable  springback  during  cold  forming,  and  are  therefore  hot  formed.  During  forming,  severe  adhesion  (i.e.  galling) of aluminium onto the die surface takes place. This phenomenon has a detrimental effect on the  surface properties, geometrical tolerances of the formed parts and maintenance of the dies. The effect of  surface  engineering  as  well  as  lubricant  chemistry  on  galling  has  not  been  sufficiently  investigated.  Diamond‐like carbon (DLC) and CrN physical vapour deposition (PVD) coated steel have been studied to  reduce  aluminium  transfer.  However,  the  interaction  between  lubricants  and  PVD  coatings  during  hot  forming of aluminium alloys is not yet fully understood. The present study thus aims to characterise the  high  temperature  tribological  behaviour  of  selected  PVD  coatings  and  lubricants  during  sliding  against  aluminium  alloy.  The  objectives  are  to  first  select promising  lubricant‐coating  combinations  and  then  to  study  their  tribological  response  in  a  high‐temperature  reciprocating  friction  and  wear  tester.  Dry  and  lubricated tests were carried out at 300 °C using a commercial polymer lubricant. Tests using DLC, CrN,  CrTiN, and CrAlN coated tool steel were compared to uncoated tool steel reference tests. The initial and  worn test specimen surfaces were analysed with a 3‐dimensional (3D) optical profiler, scanning electron  microscope  (SEM)  and  energy  dispersive  X‐ray  spectroscope  (EDS)  as  to  understand  the  wear  mechanisms. The results showed formation of tribolayers in the contact zone, reducing both friction and  wear. The stability of these layers highly depends on both the coatingsʹ roughness and chemical affinity  towards  aluminium.  The  DLC  and  CrN  coatings  combined  with  the  polymer  lubricant  were  the  most  effective in reducing aluminium transfer.    Keywords: high  temperature  tribology;  aluminium;  lubrication;  physical  vapour  deposition