Corrosion properties of titanium based hard coatings on steel

Abstract

Titanium nitride TiN, titanium boronitride Ti(B,N) and titanium carbonitride Ti(C,N) coatings were deposited by PA‐CVD on tempering and stainless steel substrates. The deposition process can be supervised by OES. The coatings were characterized XRD, SEM and WDS as well as hardness, adhesion and friction tests. Electrochemical impedance measurements and cyclic voltammetry in praxis relevant media were carried out. Mechanical and corrosion properties of the coatings can be controlled by the PA‐CVD process parameters. The incorporation of chlorine in the coating can be varied by the process parameters with TiCl 4 or completely avoided using metallo‐organic precursors. No influence of the chlorine content on the corrosion behavior was observed. Even coatings with extremely high chlorine content still exhibit an excellent corrosion resistance. Thus, the microstructure of the coating is the key to the corrosion properties of hard coatings on steel. A new micro electrochemical scanning droplet technique with a lateral resolution of 150 μm allows the investigation of TiN‐coated substrates of complex geometry. The PA‐CVD technique permits the deposition of dense and pinhole free coatings. On structures with simulated aspect ratios less than 3, a dense protective coating is proved. However, if the formation of micro pores is not suppressed by the optimal choice of deposition parameters, low‐alloyed steel substrates corrode through pores, causing a detachment of the coating. On layers deposited on stainless steel, no sign of substrate corrosion could be detected. A model for the corrosion mechanism is given in Fig. 17. Korrosionsverhalten von Hartstoffschichten auf Titanbasis auf Stahlsubstraten Titannitrid‐ TiN, Titanboronitrid‐ Ti(B,N) und Titankarbonitridschichten Ti(C,N) wurden mittels PA‐CVD auf Vergütungsstahl‐ und rostfreien Stahlsubstraten abgeschieden. Der Abscheidungsprozeß kann mit OES überwacht werden. Die Schichten wurden mit XRD, REM und WDX sowie Härte, Haftfestigkeit und Bruchtests charakterisiert. Elektrochemische Impedanzspektroskopie und zyklische Voltammetrie wurde in technischen Elektrolyten durchgeführt. Mechanische und Korrosionseigenschaften der Schichten können durch die PA‐CVD‐Prozeßparameter gesteuert werden. Der Einbau von Chlor in die Schicht kann mit TiCl 4 durch die Prozeßparameter gesteuert oder mit metallorganischen Precursoren komplett verhindert werden. Es wurde kein Einfluß des Chlorgehaltes aus das Korrosionsverhalten beobachtet. Sogar Schichten mit extrem hohem Chlorgehalt zeigten exzellente Korrosionsbeständigkeit. Folglich ist die Mikrostruktur der Schicht das entscheidende Kriterium für das Korrosionsverhalten von Hartstoffschichten auf Stahl. Eine neue, mikroelektrochemische Tropfenmethode mit einer lateralen Auflösung von 150 μm ermöglicht rasternde untersuchungen auf TiN‐beschichteten Substraten komplexer Geometrie. Das PA‐CVD‐Verfahren ermöglicht die Abscheidung von dichten, porenfreien Schichten. Auf Strukturen mit simuliertem Aspektverhältnis kleiner 3 wurde eine dichte, schützende Schicht nachgewiesen. Bei der Wahl nicht optimaler Prozeßparameter können Poren entstehen, durch die ein aggressiver Elektrolyt das Substrat angreifen kann. Auf niedrig legierten Stählen führt die Substratkorrosion zu einer Enthaftung der Schicht. Auf rostfreien Stählen wurde keine Substratkorrosion beobachtet. Ein Modell für die Korrosionsmechanismen wird in Abb. 17 vorgeschlagen.