CC BY
37
УДК 538 971
АД1 ЬЗИЯ ¿ЛЩ Л I НЫ X МОКРЫ I /1Й 1/13 МОЛ ИЬДЬ НА НА С I АЛЬНОЙ ИОуЛОЖ*Ь
Д Б. Псстеиеов". А. И. Злесман1. А. А. Теплсухов1. Д А. Полонднкнн1.
'3. А. Гкаченко1. А. В 1 юкшГ 10>лпгий.чн:уг\щн :ты-ннни тих чичш кчп униюцхтиткт, у. Отж, Россия
Сибирская еосудяоапеенная асгюмобилъно-дороусния академия, г. Омск, Россия
Анне нищ их - 3.1 ши 1.1 леылей. у (.шв и нреииов их керроши явлхеим ак!>й льной уа-
дачеп млшппогтроеппя п многих других отраслей промышленности. Одним ш способов борьбы с корро ШеЙ ЯВЛЯЕТСЯ НЯИйСРИПР ЫЩИТИМТ ПШфМШЙ ИД МРТЯЛЛПЧРГКЛТП поверхность штрлпй. Отяпй ия основных характеристик долговечности покрытий является сила адгезии В статье представлены результаты теоретического п же перш дентального исследования силы адгезии покрытия, сформированного магне-1 р о иным расиылением молибдена ьа пальную ишложк? меюло.м склеро.чедрии. Ра^рлблнна модель расчета силы адгезии. Достоверность полученных результатов обусловливает возможность использования модели ирн оценке силы адгезии в оналрных системах < сталь-покрытие
Ключевые слова: сила адгезии. защитные покрытия из молибдена.
I ВВЕДЕНИЕ
Коррозионная стойкость статей оказывает непосредственное влияние эксплуатационные характеристики шдслил В странах, с разз.-пий ирсмыиысннссизю ииасра от ьорро$ин сисииишш ли У/о о. ВЗП [1]. К способам борьбы с коррозией относятся палесепне па металлическую поверхность запцппых покоьгтнй. Одним из главных критериев выбора материала покрытия н подложки является хорошая адгезия между ними. При большей прочности покрытия н его малой адгезии к поверхности подложки происходит отсдоение покрытия и сгс разрыв. При малой точности покрытия появляются пузыри с разрывом, что резко увеличивает скорость окисления иетагтла Конечно можпп привести и другие проблемы связанные г начегением защитных покрытий однако н они сводятся к неправильному выбору материала покрытая и матрицы. К качественным методам оценки адгезии относятся механически? (скретч-тест. испытание на абразивную стойкость, растяжение п изгиб). а также ксмсханлчсскис методы [2] (рентгеновская дифрактсмстрня). С ля исследования напряженного состояния иоликрнсталлнческнх покрытии, сформированных магнетронным распылением молибдена, используется метод рентгеновской лифряктометрии [Ч] Применение дачного метода пояжшгет проводить оценку величины остатсчных напряжений, оказызающнх непосредственно-: влияние на адгезию покрытия го молнодекг к подложке [4]. Среди количественных механических методов оценки адгезии выделяют склерометрию. икден-Лфоншж и лазерное скраи'Зиринаьие как иимучившие ышбольихс рашрочраненне в прикладных ксслсдова-шпх адгезионной стопхоети покрытий
п. постановка задачи
3 качестве подложен - сюьекта. предназначенного для нанесения пскрытш. использовалась сталь марки 38Х2МЮА. Изделия го этой стати функционируют в условиях повышенных температур к агрессивных срсд. способггаующих коррозионному ияносу Я исследовании проводит?я граякечне экспериментальных данных силы адгезии покрытия из молибдена к подложке о (общепринятый термин - определяемый как сила взаимодействия между покрытием н подложкой на единицу поверхности, единица измерения Па), полученных методом склерометрии, с результатами расчетов по разработанной модели. Теоретические расчеты могут использоваться для оиенки срока службы изделий с покрытиями, функционирующих, ири повышенных icMucpaiypax в агрессивных средах.
EL ТЕОРИЯ
3 данной статье рассмотрен способ оценки адгезии методом склерометрии [sj При определении силы адгезии данным методом происходит х.рорыв иохрьння до обнажения подложки и сю отслоение. Для л.оличсс.венной сценки прочности сцеплеши необходимо точное измерение величины горизонтальной нагрузки, лгарины царапины, а также толщины и твердости пленки В процессе царапания покрытия измерялась горизонтальная сила Fnpn такой вертикальной нагрузке, когда на слсдс от индентора оставалась чистая подложка. Предполагалось. что горизонтальная сила F состоит из суммы трех составляющих. Первая составляющая. F¡ - есть сила, возникающая при царапании пскрытш. Вторая составляющая. ^ - эта сила обеспечизает полное сцарапывание покрытия до лодложки. Третья составляющая, сила F} есть сила, действующая па ипдеитоэ при его дыькешш по подлежке без поЕрытня:
F=Fy + -t-Fj. (1)
Сила F2 зыражалась в виде:
^--отй/2 (?)
4
где с1 - ширина следа, о- сила адгезии. Сила вычислялась по уравнению:
(3)
где // — толщина .и.сиш к Н- твердость маюрнала ликрьиия.
Сила адгезии определялась по формате [1]:
Яя
Экспериментальная установка для определения адгезии был;, собрана на базе микрствердсмера «ЛМТ — ЗМ». Горизонтальная сила прикладывалась к вращающейся платоорме микротвердомера и определялась с помощью те:гюдатчика. Анализ следа от шгдегггора прэводплся с помошыо растровой электрогаюй микроскогаш (ЛЕОЬ1СМ-5700). Определение адгезионных свойств пэЕрытия проводилось при вертикальной силе на ннден-тср. которая составляла 0,5 II.
Г\г. рыулыаш ЭКСШШМШЮВ
3 ходе эксперимента определено, что разность гср:полталыплх составляющих с:ьт ~0.45 Н. След от
индентора к значения ширины царапины для трех произвольно выбранных областей представлены на фотографии (рис. 2.). Значения исходных параметров: ширина следа (ё=23 мкм). твердость покрытия (Ну=450)т толщина покрытия (Ь=1 мкм). Значение силы адгезии, полученное по формуле (1), дает результат, разный о =760 М11а. Совпадение значеши силы адгезии для системы стзль-молиоден сс значениями, полученными азторами ранее, позволяет сделать вызсд о достоверности разработанной методики измерения. Схема эхепериментально-гс изучения силы адгезии представлена на рис 1.
Рис. 1 Схема поперечного сечения парагины ^ 2 Слсд ^^^ ^ матабдСНОвой пленке
(1 -пскрытие. 2-подложка)
v обсуждение резул,гатоз
Для верифичации приведен расчет силы адгезии молтибленояо-о покрытия, полученного при магнетронном распылённы на поверхность стали Зависимость содержания примеси в переходном слое молибден-сталь рассчитывалось по модели масс оперен см а [б]. Расчетные значения силы межатомного взаимодействия для железа и молибденаjî in.fi принимают следующие значения:/¡=3.76-10"11 Н,_^=5.9810"11 Н. На силу адгезии оказывают влияние чистота поверхности изделия, присутствие в ней примесей и наличие дефектов; также могут оказывать влияние различные .трутне факторы Эксперименты по измерению силы адгезии показывают* вследствие гере-численных факторов при магнетронном напылении площадь контакта покрытия на 45%. ..50% меньше плопади поверхности, на которою наносшся покрытие [5]. По згой причине, нри модельных расчетах силы адгезии в работе приняли коэффшщехгг А-0.5. Сам переходный слои представляет твердый раствор замещения, и в этом случае вклад з силу адгезии со стороны каждого материала, целесообразно описывать
гт = гтх+гтг = kNxfx + kN2f2 = к (Kxfx + N2f2 ). (5)
глр/i Jj - прочности единичной металлической связи атома каждого материала, H; .Vj, № - распределение числа атомов каждого материала в слое толщиной порядка постоянной решетки площадью 1 м2 по глубине х.
На рис. 3 представлена зависимость силы адгезии покрытия о, рассчиганная но формуле (5) с учешм распределений Л\(х), N,(x). На графике (рис.3) наблюдается иезпачительпое расхождение рассчитанных зизчешш силы адгезии о по сравнению :о справочными: 760 и S20 МН'м2, поэтому можно считать, что результаты расчетов согласуются с литературными данными. Максимум на графике о (х) соответствует максимуму концентрации внедренной примеси, поэтому при попытке оторвать покрытие, наибольшая вероятность отслоения соответствует уровню либо вблизи поверхности, либо на глубине 1.02 мкм (где заканчивается переходный слой).
Необходимо отметить, что оценочное значение силы адгезии, через энергию адгезии, существенно выше аксперимея-альных данных По оценке, сила адгезии на поверхности сталей для толщины покрытия h=1 мкм может достигать порядка 800 Н/м2, а сцепление молибденового покрытия на поверхности чистого железа -свыше 820 Н/м2 [3]. Такое завышение результатов, очевидно, связано с тем, что а оценочных моделях рассматривается идеально гладкая, чистая поверхность без отсутствия дефектов. Также подобные оценки дают погрешность больше 100% из-за того, что не представляется возможным точно определить потенциал взаимодействия между атомами, поэтому используют приближенные потенциалы: Морзе и другие Если в расчетах по предложенной модели взять коэффициент ¿=1 (идеальный случай), то значения силы адгезии о будут близки к оценочным значениям.
»50
450
1.000 1.015 1.11В 1015 1.(12(1
.Г, МК.Н
Рис. 3. Зависимость силы адгезии а от глубины переходного слоя сталь-молибден с покрытием в 1 мкм, нанесенным магнетронным методом
VI ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. Определена сила адгезии между покрытием из молибдена, нанесенного магнетронным методом, и стальной матрицей, которая составила по экспериментальным данным 760 МЕа
2. В работе использована модель расчета силы адгезии тонкопленочных покрытий, результаты расчета показывают, что минимальная сила адгезии равна 650 МПа.
3. Верификационные расчеты удовлетворительно согласуются со справочными и экспериментальными данными. Таким образом, предложенную модель можно использовать при оценке силы адгезии для бинарной системы сталь-покрытие.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Thompson N. G., Yunovich М., Dimmire D. Cost of corrosion and corrosion maintenance strategies H Corros. Rev 2007. №25(3-4). P. 247-262.
2. Rickerby D.. Measurement of coating adhesion /.l' Metallurgical and Ceramic Protective Coatings. 1996. P. 306333.
3. Singh С. K__ Ilango S Polaki S. R_. Dash S? Tyagi A_ K. Oil the evolution of residual stress at different substrate temperatures ш sputter-deposited polycrystaliine Mo thin Sims by x-ray diffraction // Mater. Res. Express. 2014. № 1(3). P. 036401
4. Andritschky M, Teixeira V. Residual stress and adhesion of molybdenum coatings produced by magnetron sputtering Vacuum 1992. №43(5-7). P. 455^-SS
5. Seong J.. Frankel G. S., Assessment of coating adhesion degradation by atomic force microscopy sera telling И Corrosion. 2012. № 6S(3). P. 032501-1-03250M.
6. Blesman A. I., Postnikov D. V.. Polonyankin D. A. Research of the thermal-tension condition and the elemental composition gradient changes of binary systems produced by combined ion-plasma method И ЮР Couf. Ser.: Mater. Sci. Eng.. 2016. № 110. P. 012009.
