CC BY
7
УДК 621.793.14 DOI: 10.30977ZBUL.2219-5548.2020.88.L73
Ф1ЗИКО-МЕХАН1ЧН1 ВЛАСТИВОСТ1 ТА СТРУКТУРНО-ФАЗОВИЙ СТАН ЗНОСОСТ1ЙКИХ ПОКРИТТ1В НА ОСНОВ1 Н1ТРИД1В W ТА Сг
Говорун Т. П., Дядюра К. О., Пилипенко О. В., Перерва В. I., Вареник С. В., Ос1чев Д. Р. Сумський державний ушверситет
Анотаця. Уробот1 розглянут1 методи отримання зносост1йких покритт1в на основ! ттрид1в метал1в Ж та Сг, охарактеризован7 гх переваги та недолти. Шд1брат режими конденсацИ' таких покриттгв 7з р!зним стввгдношенням компонент у магнетроннШ систем7 з постШними ма-гнтами. Проведен7 досл!дження мтроструктури та структурно-фазового складу. Досл1дже-но мтротверд1стъ отриманих покритт!в та проанал1зоват отримат результати. Ключов1 слова: р1залъний тструмент, знососттю покриття, поверхневе змщнення.
Вступ
На сьогодш важливе значення мають CBiTOBi тенденци щодо збшьшення швидкост виробництва i використання бшьш легких i менш коштовних матерiалiв. Невпинне зрос-тання вимог до швидкостей i навантаження на машини та шструмент робить ще бiльш актуальним виршення проблеми зношування матерiалiв [1-3].
Анашз публiкацiй
Дослiдження зносостiйких покритпв на основi нiтридiв Ti, Zr, Mo, W i Cr показують !х високу твердiсть i вщмшш трибологiчнi характеристики. Такi покриття e перспектив-ними матерiалами для широкого застосуван-ня, наприклад, як захисш покриття вiд швид-кого зношування шструменту [4-11].
Стiйкiсть до зносу можливо значно по-кращити за рахунок застосування багатоша-рових i комплексних покритпв [12]. Широке коло наукових дослщжень присвячено вив-ченню властивостей матерiалiв нанострукту-рованих покритпв з унiверсальними [13] та високими зносостшкими характеристиками [14-15]. Серед рiзноманiтних покриттiв нiтриднi нанокомпозитнi або наношаровi си-стеми дослiджуються досить широко [5-10, 12, 16].
Поряд з цим, структура i триболопчш властивост покриттiв W-N мало дослiдженi. Вс вище перерахованi покриття на основi TiN, Zr-N, Mo-N, Cr-N та W-N фаз чутливi до парщального тиску N2, використовуваного тд час осадження. При недостатньому парщальному тиску реактивного газу в ка-мерi осадження, можливе формування мiжатомних зв'язкiв з низькою хiмiчною i термiчною стабiльнiстю.
Нiтриди перехiдних металiв розглядають-ся, як захиснi покриття, завдяки !х вiдмiнним властивостям за твердютю, зносостiйкiстю та корозiйною стшюстю. Система нiтрид хрому (CrN) е перспективною для покриттiв з висо-кою твердiстю, вiдмiнними антиокислюваль-ними властивостями та гарною стшюстю до корози та зносу [4, 12, 17]. Вольфрам, у ме-талiчнiй форм^ е iншим матерiалом, який часто використовуеться через високу температуру плавлення i високу твердють [17]. Покриття нiтриду вольфраму застосовують у оптичних та мiкроелектронних приладах, таких як бар'ерш шари та електроди. Тим не менше, можна виявити обмежену лггературу щодо його мехашчних властивостей. Зробле-но висновок, що покриття наношарово! конф^урацп з чистим металом та штридами металiв, мають вищi механiчнi властивостi, шж одношаровi покриття. Тому вибрана тема роботи е актуальною.
Мета 1 постановка завдання
Метою роботи е дослщження фiзико-мехашчних властивостей та структурно-фазового стану наношарових покритпв CrWN, осаджених на сталеву тдкладку з рiзною шорсткiстю поверхнi. Таю нано-структурованi покриття CrWN мають рiзну концентрацiею компонент. Для реалiзацil окреслено! мети необхiдно вирiшити таю завдання: дослщити поверхневу структуру та стехюметрда CrWN покриттiв отриманих магнетронним методом iз комплексно! мшеш; проаналiзувати вплив параметрiв конденсаци та шорсткосп поверхнi тдклад-ки на мехашчш властивостi покриттiв на ос-новi нiтридiв W та Сг.
Методика експерименту
Як шдкладки використовувались зразки зi швидкорiзальноl сталi Р6М5, що мае фксо-ваний розмiр 15 мм х 15 мм х 5 мм. Хiмiчний склад пiдкладки наведено в табл. 1, вш вiдповiдае значенням ДСТУ в межах допустимо!' похибки. Шдкладки були полiрованi мехашчним методом в комбшацп з алмазним шлiфувальним диском. Рiзна шорсткiсть по-верхнi була досягнута за допомогою оброб-лення шлiфувальним папером iз рiзним роз-мiром зерен (800, 1000, 1200 i 1500) мокрим шлiфуванням та шлiфуванням на попереднш зернистостi. Режими проведеного оброблян-ня шдкладок подано в табл. 2. Далi пiдкладки очищали ультразвуком протягом 10 хвилин послщовно в ацетош та етиловому спиртi. Покриття CrWN осаджувались магнетронним методом з постшними магнiтами iз комплексно!' мшеш, яка складалася з Сг та W та мала рiзнi сшввщношення за площею: 95:5, 75:25, 50:50. Потужшсть розряду становила 500 Вт. Мшень Cr+W попередньо очищали в камерi в атмосферi аргону протягом 10 хвилин. Конденсацш покритлв вiдбувалася в камерi з базовим тиском 10-3 - 10-4 Па.
Таблиця 1 - Х1м1чний склад шдкладки (ваг. %)
пiрамiдою Вккерса з кутом 136 яку вико-ристовують як iндентор у pa3Í навантаження 50 гр.
C Si Mn Ni S P Cr Mo W V Co
0,82 0,3 0,44 0,35 0,008 0,027 4,34 4,83 5,91 1,94 0,27
Таблиця 2 - Приготування шдкладок
Зразок Процедура оброляння
1 800 зерен 10 хвилин
2 1000 зерен 10 хвилин
3 1200 зерен 10 хвилин.
4 1500 зерен 10 хвилин
Для якюного та кiлькiсного аналiзу складу i структури покриттiв використовували рент-генографiчний аналiз iз застосуванням рент-генiвського спектрометра Дрон 4.07 (з випромшюванням СиКа, довжина хвилi дорь внюе 0,154 нм).
Осадження покриття вщбувалося в атмо-сферi двох газiв Аг та N2, сшввщношення яких становило 10 до 1. На рис. 1 наведена можливють варшвання швидкостi конденса-цп, яка була реалiзована через подачу рiзноl напруги до мшеш i потоком газу, що скла-дала приблизно 1 мкм/год.
Товщина нанесеного покриття контролюва-лася in-situ-методом кварцового резонатора.
Твердють вимiрювали за методом мкро-шдентування з чотирикутною алмазною
Рис. 1. Зображення пристрою для осадження зразюв: 1 - магнетрон; 2 - тримач зразюв; 3 - трубка подачi газу в область м1ж три-мачем зразкiв та магнетроном
Дослщження поверхнево! структури по-критлв здiйснювались на сканувальному електронному мкроскош Tescan VEGA 3. Енергодисперсiйнi спектри отримаш за допомогою додаткових детекторiв на цьому ж мкроскош.
Результати дослщжень та обговорення
Проведен рентгенографiчнi дослiдження демонструють, що до складу отриманого покриття належать фази WN, W2N, CrN (гли-бина iнформацiйного шару складала близько 200 нм) з кубiчною (структура типу NaCl) кристалiчною решiткою без явно виражено! осi орieнтащl зерен. На рис. 2 як приклад наведен рентгенограми, отриманi вщ зразкiв з покриттями Cr75WiN24 та Cr56W4N40.
Рис. 2. Рентгенодифракцiйнi спектри покрит-тiв Cr75WiN24 (а) Cr56W4N40 (б) i табличнi значення нiтридiв хрому та вольфраму (в)
На рис. 2 в наведет табличш значення вщ-носно С^ - 01-076-2494, - 00-025-1257, WN - 01-075-1012.
Як демонструе рис. 2 (а i б), вiдбуваeться модифiкацiя спектра зi змiною концентрацii компонент у покрити. Так, для покриття з бшьшим вмiстом W бiльш ютотними стають пiки, що вiдповiдають фазам нiтридiв вольфраму.
Дослiдження, отриманих Сг-^^пок-риттiв, проведенi на сканувальному елект-ронному мiкроскопi, демонструють нанокри-сталiчну дрiбнодисперсну структуру з розмiром зерна до 50 нм та iх рiвномiрним розподшом вздовж поверхнi (рис. 3).
Рис. 3. Типове зображення поверхш зразка з
покриттям
Результати роботи роботи [18] з досль дження мшроструктури систем на основi Сг, W та N демонструють тенденцию утворення щiльноi та дрiбнозернистоi мшроструктури з вкрапленнями W у Сг-Ы- покриття. Проте розмiр зерна покриття на основi Сг, W та Ы, оцiнений у [18], становив вщ 10 до 20 нм, що трохи нижче, шж у цьому дослщженш Вва-жаемо, що вплив температури осадження, яка використовуеться в робот^ порiвняно з експериментом у робоп [18], призвiв до бшьш швидкого зростання зерен шд час оса-дження Cr-W-N-покриття.
1з даних аналiзу елементного складу пок-риттiв (табл. 3) можемо спостер^ати чiтку кореляцгю мiж складом мшеш та складом отриманого покриття.
Таблиця 3 - Ствставлення складу м1шеш та складу отриманого покриття
Сг^ Сг^ Сг^
Склад м1шеш, мас. % 50:50 80:20 95:5
Склад покриття, ат. % 78:22 93:7 99:1
Енергодисперсшш спектри для покриттiв на основi Сг, W та N, як характеризують iх стехiометрiю та знят для рiзних фрагментiв, подано на рис. 4.
I, вщн. од.
Сг w я л :г Елемент, атом % N - 39,66 Сг - 56,36 \¥- 3,98
А W \У\У \У
Сг N \у :г Елемент, атом % N - 26,09 Сг - 73,05 \¥- 0,86
А w w \у \у
..............
0 2 4 6 8 10 12 14 Е, кеВ Рис. 4. Енергодисперсшш спектри, зняп для
зразюв Cr40W56N4 та Cr26W73Nl
Цi енергодисперсшш спектри додатково тдтверджують зростання вмюту нiтридiв вольфраму в покриттi з тдвищенням вмiсту вольфраму в мшеш, що демонструе зростання птв для елементгв W та N.
Дослщження мехашчних властивостей покритпв
Головними чинниками, що впливають на величину твердосп та зносостiйкостi покритпв на основi Сг, W та N е параметри конденсацii, а саме: напруга, прикладена до пщкладки, температура пiдкладки, концентрация газiв, в яких вiдбуваеться осадження, тиск газгв i склад мiшенi.
Результати дослщження мехашчних властивостей таких покритга (за найбтьш вира-женою й универсальною характеристикою — мгкротвердють) наведенi на рис. 5.
Рис. 5. Залежносл мiкротвердостi вiд шорст-костi поверхнi для покриттiв на основi Сг, W та N (□,©) та без покриття (А)
Значення мiкротвердостi наношарованих покритгiв складало близько 3 ГПа для покрит-тя Cr39W11N50 та 5 ГПа для покриття Cr75W1N24, що узгоджуеться з даними роботи [18]. Залеж-ностi мiкротвердостi вщ шорсткостi (рис. 5) демонструють спадальний характер величини H 3i зменшенням шорсткостi поверхнi.
Тобто таке змешення призводить до не-значного зниження твердосп покриття, що свiдчить про зниження адгези на бiльш гладких тдкладках [12]. Максимальне значення мшротвердосп можемо спостерiгати на зраз-ках, шлiфованих абразивом iз 1200 зер-нистiстю, що пiдтверджуeться результатами роботи [19].
Висновки
На основi даних, отриманих рентгеногра-фiчним методом, та зпдно з визначенням мь кротвердостi в роботi було проаналiзованi структурнi та механiчнi властивостi зносо-стiйких покриттiв на основi Cr, W та N за-лежно вщ умов отримання.
Дослiдження структурно-фазового стану покритпв Cr-W-N демонструють, що неза-лежно вiд складу мшеш використання реактивного магнетронного розпилення дозволяе отримувати покриття з рiвномiрною щшьню-тю структури i гарною адгезiею.
Аналiз результатiв рентгенографiчних до-слiджень довiв, що до складу отриманого покриття належать фази WN, W2N, CrN iз кубiчною кристатчною решiткою та серед-нiм розмiром зерен 50 нм.
Мiкротвердiсть наношарованих покритпв складала близько 3 ГПа для покриття Cr39W11N50 i 5 ГПа для Cr75W1N24 та суттево залежала вщ шорсткостi пiдкладки. Максимальне значення мшротвердосп було досяг-нуто для вшх типiв покриттiв на зразках, шлiфованих абразивом iз 1200 зерниснстю.
Лiтература
1. Тимофеева Л. А., Комарова Г. Л. Шдвищення
зносостшкосп р1зальних шструменпв для обробки зал1зовуглецевих сплав1в. Технолопя метал1в та матер1алознавство: зб1рник науко-вих праць УкрДАЗТ. Харшв, 2014. Вип. 14. С. 143-149.
2. Затуленко А.С., Заець С.С. Вплив процесу зно-
шування р1зального шструменту на точшсть мехашчно! обробки. XII Всеукрашська науко-во-практична конференщя студенпв, астра-нпв та молодих вчених «Погляд у майбутне приладобудування», 15-16 травня 2019 р. Кшв: КП1 ш. 1горя Сжорського, 2019. С. 152154.
3. Chuangwen X. The relationships between cutting
parameters, tool wear, cutting force and vibration / X. Chuangwen, D. Jianming, C. Yuzhen, L. Huaiyuan. Advances in Mechanical Engineering.
2018, Vol. 10(1) Р. 100-108. DOI: 10.1177/ 1687814017750434.
4. Zaulychny Ya. V. Influence of Interatomic Interac-
tion Processes on the Mechanical Properties of Carbide Coatings Based on Ti, V and Cr, Obtained by Diffusion Metallization / Ya. V. Zaulychny, V.G. Hignjak, N.A., Harchenko, T.P. Ho-vorun et al. J. Nano-electron. Phys. 2016. Vol. 8, No 4(1). Р. 04008.
5. Горбачова Т. Ю., Говорун Т. П. Зносостшш покриття для рiжучих шструменпв на oснoвi Mo, Cr та N. Сучасш технологи у промисло-вому виробництвг матeрiали науково-техшч-но! кoнфeрeнцii факультету техшчних систем та енергоефективних технологш, 18-21 квiтня 2017 р. Ч. 1. Суми: СумДУ, 2017. С. 102-103.
6. Maksakova O. V. Multilayered ZrN/CrN coatings
with enhanced thermal and mechanical properties / O.V. Maksakova, S. Simoes, A. D. Pogreb-njak, O. V. Bondar, Y. O. Kravchenko, T. N. Kol-tunowicz, Z.K. Shaimardanov. J. Alloy. Compd.
2019, Vol. 776, Р. 679-690.
7. Сметанш Р. C., Надтoчiй К. Ю., Говорун Т. П. Шдвищення експлуатацшних властивостей рiжучoгo iнструмeнту при нанесенш пoкриттiв магнетронним розпиленням. Сучасш технологи у промисловому виробництвг матeрiали наукoвo-тeхнiчнoi кoнфeрeнцii факультету техшчних систем та енергоефективних технологш, 18-21 квгтня 2017 р. Частина 1. Суми: СумДУ, 2017. С. 98-99.
8. Shayestehaminzadeh S. The properties of TiN ultra-thin films grown on SiO2 substrate by reactive high power impulse magnetron sputtering under various growth angles / S. Shayestehaminzadeh, T. K. Tryggvason, L. Karlsson, S. Olafsson, J. T. Gudmundsson - Thin Solid Films. 2013. Vol. 548. Р. 354-357.
9. Pogrebnjak A. D., Ivasishin O. M., Beresnev
V. M. Arc-Evaporated Nanoscale Multilayer Nitride-Based Coatings for Protection Against Wear, Corrosion, and Oxidation. Usp. Fiz. Met. 2016. 17, № 1. Р. 1-28.
10. Nishat A. Study on Structural, Morphological and Electrical Properties of Sputtered Titanium Nitride Films under Different Argon Gas Flow: materials Chemistry and Physics. 2012. № 134. P. 839-844.
11. Gago R., Soldera F., Hubner R. X-ray absorption near-edge structure of hexagonal ternary phases in sputter-deposited TiAlN films. Journal of Alloys and Compounds. 2013. Vol. 561. Р. 87-94.
12. Tribology and Micromechanics of Chromium Nitride Based Multilayer Coatings on Soft and Hard Substrates / Lackner J. M., Waldhauser W., Majo L., Kot M. Coatings. 2014. No 4, Р. 121138.
bichuk xhafly, bun. 88, 2020, t. i
77
13. Physical characteristics, structure and stress state of vacuum-arc tin coating, deposition on the substrate when applying high-voltage pulse during the deposition / Sobol O. V., Andreev A. A., Grigoriev S. N. et al. Problems of Atomic Science and Technology. 2011. No 4 (74), P. 174S. N.177.
14. Musil J. Nanocomposit coatings with Enhanced Hardnes.Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2005. Vol. 18, № 3. P. 433-442.
15. Zhizhchenko A. G. Issledovanie osobennostej strukturoobrazovaniya i napryazhennogo sos-toyaniya pokrytij na osnove TiN [Investigation of the features of structure formation and stress state of coatings based on TiN]. Sovremennye metody i tekhnologii sozdaniya i obrabotki materialov [Advanced Methods and Technologies of Materials Development and Processing] - Collection of scientific papers, Minsk: FTI NAN Belarusi.
2016, Vol. 2. P. 191-198.
16. Caicedo J. C. Hard coating performance enhancement by using [Ti/TiN]n, [Zr/ZrN]n and [TiN/ZrN]n multilayer system / J.C. Caicedo, C. Amaya, L. Yate, et al: materials Science and Engineering B. 2010. No 171. C. 56-61.
17. Structural and mechanical properties of nitrogen-deficient cubic Cr-Mo-N and Cr-W-N systems / Zhou L., Klimashin F.F., Holec D., Mayr-hofer P. H. Scr. Mater. 2016, 123 P. 34-37.
18. Chen J. S., Duh J. G., Wu F. B. Microhardness and Corrosion Behavior in CrN/Electroless Ni/Mild Steel Complex Coating. Surface and Coatings Technology.2002, 150. P. 239-245.
19. Influence of roughness of the substrate on the structure and mechanical properties of tialn nano-coating condensed by DCMS / DyadyuraK., Ho-vorun T. P., Pylypenko O. V., Pererva V. I. NAP
2017, 1 P. 39-43.
References
1. Tymofeyeva L. A., Komarova H. L. Pidvysh-chennya znosostiykosti rizal'nykh instrumentiv dlya obrobky zalizovuhletsevykh splaviv. Tekh-nolohiya metaliv ta materialoznavstvo: zbirnyk naukovykh prats' UkrDAZT. Harkov, 2014. Vyp. 14 P. 143-149.
2. Zatulenko A. S., Zayets S. S. Vplyv protsesu zno-
shuvannya rizal'noho instrumentu na tochnist' mekhanichnoyi obrobky. XII Vseukrayins'ka nau-kovo-praktychna konferentsiya studentiv, aspiran-tiv ta molodykh vchenykh «Pohlyad u maybutnye pryladobuduvannya», 15-16 travnya 2019 r., KPI im. Ihorya Sikors'koho, m. Kyyiv. P. 152-154.
3. Chuangwen X. The relationships between cutting parameters, tool wear, cutting force and vibration / X. Chuangwen, D. Jianming, C. Yuzhen, L. Huaiyuan. Advances in Mechanical Engineering.
2018, Vol. 10(1) P. 100-108. DOI: 10.1177/ 1687814017750434.
4. Zaulychny Ya. V. Influence of Interatomic Interac-
tion Processes on the Mechanical Properties of Carbide Coatings Based on Ti, V and Cr, Ob-
tained by Diffusion Metallization / Ya. V. Zaulychny, V. G. Hignjak, N. A., Harchenko, T. P. Ho-vorun et al. J. Nano-electron. Phys. 2016. Vol. 8, No 4(1). P. 04008.
5. Horbachova T. Yu., Hovorun T. P. Znosostiyki pokryttya dlya rizhuchykh instrumentiv na osnovi Mo, Cr ta N. Suchasni tekhnolohiyi u promyslo-vomu vyrobnytstvi: materialy naukovo-tekhnich-noyi konferentsiyi fakul'tetu tekhnichnykh system ta enerhoefektyvnykh tekhnolohiy, 18-21 kvitnya 2017. Chastyna 1. Sumy: SumDU, 2017. P. 102103.
6. Maksakova O. V. Multilayered ZrN/CrN coatings with enhanced thermal and mechanical properties / O.V. Maksakova, S. Simoes, A. D. Pogrebnjak, O. V. Bondar, Y. O. Kravchenko, T. N. Kol-tunowicz, Z.K. Shaimardanov. J. Alloy. Compd. 2019, Vol. 776, P. 679-690.
7. Smetanin R. C., Nadtochiy K. YU., Hovorun T. P. Pidvyshchennya ekspluatatsiynykh vlastyvostey rizhuchoho instrumentu pry nanesenni pokryttiv mahnetronnym rozpylennyam. Suchasni tekhnolohiyi u promyslovomu vyrobnytstvi: materialy naukovo-tekhnichnoyi konferentsiyi fakul'tetu tekhnichnykh system ta enerhoefektyvnykh tekhnolohiy, 18-21 kvitnya 2017. Chastyna 1. Sumy: SumDU, 2017. P. 98-99.
8. Shayestehaminzadeh S. The properties of TiN ultra-thin films grown on SiO2 substrate by reactive high power impulse magnetron sputtering under various growth angles / S. Shayestehaminzadeh, T. K. Tryggvason, L. Karlsson, S. Olafsson, J. T. Gudmundsson - Thin Solid Films. 2013. Vol. 548. P. 354-357.
9. Pogrebnjak A.D., Ivasishin O.M., Beresnev V.M. Arc-Evaporated Nanoscale Multilayer Nitride-Based Coatings for Protection Against Wear, Corrosion, and Oxidation. Usp. Fiz. Met. 2016. 17, № 1. P. 1-28.
10. Nishat A. Study on Structural, Morphological and Electrical Properties of Sputtered Titanium Nitride Films under Different Argon Gas Flow: materials Chemistry and Physics. 2012. № 134. P. 839-844.
11. Gago R., Soldera F., Hubner R. X-ray absorption near-edge structure of hexagonal ternary phases in sputter-deposited TiAlN films. Journal of Alloys and Compounds. 2013. Vol. 561. P. 87-94.
12. Tribology and Micromechanics of Chromium Nitride Based Multilayer Coatings on Soft and Hard Substrates / Lackner J. M., Waldhauser W., Majo L., Kot M. Coatings. 2014. No 4, P. 121138.
13. Physical characteristics, structure and stress state of vacuum-arc tin coating, deposition on the substrate when applying high-voltage pulse during the deposition / Sobol O. V., Andreev A. A., Grigoriev S. N. et al. Problems of Atomic Science and Technology. 2011. No 4 (74), P. 174S. N.177.
14. Musil J. Nanocomposit coatings with Enhanced Hardnes.Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2005. Vol. 18, № 3. P. 433-442.
15. Zhizhchenko A. G. Issledovanie osobennostej strukturoobrazovaniya i napryazhennogo sos-toyaniya pokrytij na osnove TiN [Investigation of the features of structure formation and stress state of coatings based on TiN]. Sovremennye metody i tekhnologii sozdaniya i obrabotki materialov [Advanced Methods and Technologies of Materials Development and Processing] - Election of scientific papers, Minsk: FTI NAN Belarusi.
2016. Vol. 2. Р. 191-198.
16. Caicedo J. C. Hard coating performance enhancement by using [Ti/TiN]n, [Zr/ZrN]n and [TiN/ZrN]n multilayer system / J.C. Caicedo, C. Amaya, L. Yate, et al: materials Science and Engineering B. 2010. No 171. С. 56-61.
17. Structural and mechanical properties of nitrogen-deficient cubic Cr-Mo-N and Cr-W-N systems / Zhou L., Klimashin F. F., Holec D., Mayrhofer P. H. Scr. Mater. 2016, 123 Р. 34-37.
18. Chen J.S., Duh J.G., Wu F. B. Microhardness and Corrosion Behavior in CrN/Electroless Ni/Mild Steel Complex Coating. Surface and Coatings Technology.2002, 150. Р. 239-245.
19. Influence of roughness of the substrate on the structure and mechanical properties of tialn nano-coating condensed by DCMS / DyadyuraK., Ho-vorun Т. P., Pylypenko O. V., Pererva V. I. NAP
2017, 1 Р. 39-43.
Говорун Тетяна Павлiвна, к.ф-м.н., доцент кафедри прикладного матeрiалoзнавства та технологи конструкцшних матeрiалiв, тел. +38-054-264-09-49, e-mail: tatgovorun@gmail.com, hovorun@pmtkm.sumdu.edu.ua, Дядюра Костянтин Олександрович, д.т.н., про-фесор кафедри прикладного матeрiалoзнавства та технологи конструкцшних матeрiалiв, тел. +38-054-264-09-49, e-mail: dyadyura@pmtkm. sumdu.edu.ua,
Пилипенко Олександр Валерiйович, асистент кафедри eлeктрoнiки, загально! та прикладно! фiзики, тел. +38-054-233-56-12, e-mail: pylypen-ko.o@gmail.com,
Перерва Валентина 1вашвна, магистрант кафедри прикладного матeрiалoзнавства та тeхнoлoгii кoнструкцiйних матeрiалiв, тел. +38-054-264-0949, e-mail: valyapererva18@gmail.com, Вареник Сергш Володимирович, магiстрант кафедри прикладного матeрiалoзнавства та тех-нoлoгii конструкцшних матeрiалiв, тел. +38-054264-09-49, e-mail: foxtrot1849101@gmail.com, Оачев Дмитро Романович, студент кафедри прикладного матeрiалoзнавства та технологи конструкцшних матeрiалiв, тел. +38-054-264-09-49, Сумський державний унiвeрситeт, 2, вул. Римсь-кого-Корсакова, м. Суми, 40007, Украша.
Physico-mechanical properties and structural-phase state of individual coatings based on nitrides W and Cr
Abstract. Problem. Ti, Zr, Mo, W and Cr nitride coatings are promising materials because they have high hardness and excellent tribological characteristics and are therefore widely used as a quick-wear protective cutter. At the same time, the structure and tribological properties of W-N coatings are poorly understood. All of the above coatings based on Ti-N, Zr-N, Mo-N, Cr-N and W-N phases are sensitive to the partial pressure of N2 used during deposition. Coatings with nanolayer configurations of pure metal and metal nitride have higher mechanical properties than single-layer ones. Therefore, the topic of the work and the problems considered are relevant. Goal. The aim of this work is to study the physico-mechanical properties and structural-phase state of CrWN nanolayer coatings deposited on a steel substrate with different surface roughness. Such nano-structured CrWN coatings have different component concentrations. Methodology. In the work, samples of fixed-speed P6M5 steel of fixed size 15 mm x 15 mm x 5 mm were used as substrates, which were polished by a mechanical method combined with a diamond grinding wheel. Different surface roughness was achieved by grinding paper with different grain sizes by wet grinding, with preliminary grinding on the previous grain size. A target consisting of Cr and W with different area ratios was used: 95: 5, 75:25, 50:50. For the qualitative and quantitative analysis of the composition and structure of coatings, radiographic analysis was used, studies of the surface structure of coatings and obtaining energy dispersion spectra were performed on a scanning electron microscope. Results. Radiographic studies show that the obtained coating includes such phases as WN, W2N, CrN with a cubic (NaCl-type structure) crystalline lattice without a pronounced axis of grain orientation. Studies carried out on a scanning electron microscope of the obtained Cr-W-N coatings showed a nanocrystalline structure with a grain size of up to 50 nm. According to the analysis of the elemental composition of coatings, a clear correlation between the composition of the target and the composition of the obtained coating is observed. The main factors affecting the hardness and wear resistance of Cr, W and N coatings are the condensation parameters such as the stress applied to the substrate, the substrate temperature, the concentration of the gases in which the deposition occurs, their pressure and the composition of the target. Originality. It has been found that the main factors that influence the hardness and wear resistance of Cr, W and N coatings are the condensation parameters such as the stress applied to the substrate, the substrate temperature, the concentration of the gases in which the deposition occurs, their pressure and the composition of the target. The microhardness of the nanolayers was about 3 GPa for Cr39W11N50 coating and 5 GPa for Cr75W1N24 and was significantly dependent on the coating roughness and had a maximum value on the
1200 grit abrasive samples. Practical value. The investigated results of the dependence of the micro-hardness on the roughness show a decreasing nature with a decrease in surface roughness, that is, an increase in surface smoothness leads to a slight decrease in the hardness of the coating. The obtained values of microhardness of P6M5 steel with wear resistant coatings based on W and Cr nitrides allow to apply such coatings for surface hardening of machine tools and cutting tools.
Keywords: cutting tool, wear-resistant coating, surface hardening.
Шуо™п Тatyana, Ph.D., Associate Professor of the Department of Applied Materials Science and Technology of Structural Materials, tel. +38-054-264-09-49, email: tatgovorun@gmail.com, hovorun@pmtkm. sumdu. edu.ua,
Dyadyura Constantin, Doct. of Science, Professor of the Department of Applied Materials Science and Technology of Structural Materials, tel. +38-054264-09-49, e-mail: dyadyura@pmtkm.sumdu.edu.ua, Pylypenko Alexander, Assistant Professor, Department of Electronics, General and Applied Physics, tel. +38-054-233-56-12, e-mail: pylypenko.o@gmail. com,
Pererva Valentina, Master of the Department of Applied Materials Science and Technology of Structural Materials, tel. +38-054-264-09-49, e-mail: valyapererva 18@gmail. com, Varenik Sergey, Master of the Department of Applied Materials Science and Technology of Structural Materials, tel. +38-054-264-09-49, e-mail: foxtrot1849101@gmail.com, Osichev Dmitry, Student of the Department of Applied Materials Science and Technology of Structural Materials, tel. +38-054-264-09-49, Sumy State University, 2, Rimsky-Korsakov, Sumy, 40007, Ukraine.
Физико-механические свойства и структурно-фазовый состав износостойких покрытий на основе нитридов W и Cr
Аннотация. В работе рассмотрены методы получения износостойких покрытий на основе
нитридов металлов W и Cr, охарактеризованы их преимущества и недостатки, подобраны режимы конденсации таких покрытий с различным соотношением компонент в магнетронной системе с постоянными магнитами. Проведено исследование микроструктуры и структурно-фазового состава. Исследована микротвердость полученных покрытий и проанализированы полученные результаты.
Ключевые слова: режущий инструмент, износостойкие покрытия, поверхностное упрочнение.
Говорун Татьяна Павловна, к.ф-м.н., доцент кафедры прикладного материаловедения и технологии конструкционных материалов, тел. +38-054-264-09-49,
e-mail: tatgovorun@gmail.com, hovorun@pmtkm. sumdu.edu.ua,
Дядюра Константин Александрович, д.т.н., профессор кафедры прикладного материаловедения и технологии конструкционных материалов, тел. +38-054-264-09-49, e-mail: dyadyura@pmtkm. sumdu. edu.ua, Пилипенко Александр Валериевич, ассистент кафедры электроники, общей и прикладной физики, тел. +38-054-233-56-12, e-mail: pylypenko.o@gmail.com, Перерва Валентина Ивановна, магистрант кафедры прикладного материаловедения и технологии конструкционных материалов, тел. +38-054-264-09-49, e-mail: valyapererva18@gmail.com Вареник Сергей Владимирович, магистрант кафедры прикладного материаловедения и технологии конструкционных материалов, тел. +38-054-264-09-49, e-mail: foxtrot1849101@gmail.com, Осичев Дмитрий Романович, студент кафедры прикладного материаловедения и технологии конструкционных материалов, тел. +38-054-264-09-49, Сумской государственный университет, 2, ул. Римского-Корсакова, г. Сумы, 40007, Украина.
