Научная статья на тему 'ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАЩИТНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОК, НАНЕСЕННЫХ МАГНЕТРОННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ НА БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ М42'

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАЩИТНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОК, НАНЕСЕННЫХ МАГНЕТРОННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ НА БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ М42 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
24
6
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
магнетронное напыление / износ / высокотемпературная защита / покрытие / наноструктурные пленки / быстрорежущая сталь / magnetron sputtering / wear / high temperature protection / coating / nanostructured films / high-speed steel

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Сизо Алан Анзорович, Литвинов Артем Евгеньевич, Бузько Владимир Юрьевич, Чукарин Александр Николаевич

Одной из самых универсальных марок быстрорежущих сталей, используемой в качестве материала зубьев наиболее популярных биметаллических пил, является М42. Эта сталь характеризуется высокой твердостью (HRC 64-67), отличной термостойкостью до 700 градусов, хорошей износостойкостью и подходит для резки нержавеющих сталей с твердостью до 50 HRC. Наноструктурированные износостойкие высокотвердые покрытия с высокими физико-механическими и прочностными характеристиками, стойкостью к ударным и вибрационным нагрузкам способствуют повышению износостойкости и ресурса ленточных пил. Пленки твердого алмазоподобного углерода (DLC), состоящие из аморфного углерода с неупорядоченным графитовым упорядочением, стремящимся к тетраэдрической алмазоподобной координации, представляют интерес для материаловедов из-за их превосходных механических и трибологических свойств. Плотные и твердые углеродные пленки со структурой наночастиц размером 12-17 нм были нанесены на сталь AISI M42 HSS методом ВЧ-магнетронного распыления. Микротвердость по Виккерсу пленки M42 HSS с покрытием толщиной 800 нм DLС составляет 838±19 по сравнению с 783±18 для чистого образца M42 HSS. Наблюдаются хорошие микроструктурные свойства, свойства защиты от износа и высокотемпературного окисления полученных углеродных наноструктурных пленок на поверхности быстрорежущей стали M42.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Сизо Алан Анзорович, Литвинов Артем Евгеньевич, Бузько Владимир Юрьевич, Чукарин Александр Николаевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотрDOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-356-357
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

CHARACTERISTICS OF PROTECTIVE CARBON FILMS DEPOSITED BY MAGNETRON SPUTTERING ON HIGH-SPEED STEEL M42

One of the most versatile grades of high-speed steels used as the teeth material of the most popular bimetallic saws is M42. This steel is characterized by high hardness (HRC 64-67), excellent temperature resistance up to 700 degrees, good wear resistance and is suitable for cutting stainless steels with hardness up to 50 HRC. Nanostructured wear-resistant high-hardness coatings with high physical-mechanical and strength characteristics, resistance to shock and vibration loads contribute to increasing the wear resistance and service life of band saws. Films of solid diamond-like carbon (DLC) consisting of amorphous carbon with disordered graphite ordering tending to tetrahedral diamond-like coordination are of interest to materials scientists because of their excellent mechanical and tribological properties. Dense and solid carbon films with a structure of nanoparticles measuring 12-17 nm were deposited on AISI M42 HSS steel by RF magnetron sputtering. The Vickers microhardness of the M42 HSS film coated with a thickness of 800 nm DLC is 838±19 compared to 783±18 for a pure M42 HSS sample. Good microstructural properties, properties of protection against wear and high-temperature oxidation of the obtained carbon nanostructured films on the surface of high-speed steel M42 are observed.

Текст научной работы на тему «ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАЩИТНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОК, НАНЕСЕННЫХ МАГНЕТРОННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ НА БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ М42»

УДК 67.05

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-356-357

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАЩИТНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ПЛЕНОК, НАНЕСЕННЫХ МАГНЕТРОННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ НА БЫСТРОРЕЖУЩИЕ СТАЛИ М42

А.А. Сизо, А.Е. Литвинов, В.Ю. Бузько, А.Н. Чукарин

Одной из самых универсальных марок быстрорежущих сталей, используемой в качестве материала зубьев наиболее популярных биметаллических пил, является М42. Эта сталь характеризуется высокой твердостью (HRC 64-67), отличной термостойкостью до 700 градусов, хорошей износостойкостью и подходит для резки нержавеющих сталей с твердостью до 50 HRC. Наноструктурированные износостойкие высокотвердые покрытия с высокими физико-механическими и прочностными характеристиками, стойкостью к ударным и вибрационным нагрузкам способствуют повышению износостойкости и ресурса ленточных пил. Пленки твердого алмазоподобно-го углерода (DLC), состоящие из аморфного углерода с неупорядоченным графитовым упорядочением, стремящимся к тетраэдрической алмазоподобной координации, представляют интерес для материаловедов из-за их превосходных механических и трибологических свойств. Плотные и твердые углеродные пленки со структурой наноча-стиц размером 12-17 нм были нанесены на сталь AISIM42 HSS методом ВЧ-магнетронного распыления. Микротвердость по Виккерсу пленки M42 HSS с покрытием толщиной 800 нм DLС составляет 838±19 по сравнению с 783±18 для чистого образца M42 HSS. Наблюдаются хорошие микроструктурные свойства, свойства защиты от износа и высокотемпературного окисления полученных углеродных наноструктурных пленок на поверхности быстрорежущей стали M42.

Ключевые слова: магнетронное напыление, износ, высокотемпературная защита, покрытие, нано-структурные пленки, быстрорежущая сталь.

Металлорежущие дисковые и ленточнопильные станки для резки проката и труб из черных и цветных металлов интенсивно используются в настоящее время. Наиболее универсальной маркой быстрорежущей стали, используемой в качестве материала зубьев наиболее популярных биметаллических пил, является М42 [1]. Эта сталь характеризуется высокой твердостью (HRC 64-67), отличной термостойкостью до 700 градусов, хорошей износостойкостью и подходит для резки нержавеющих сталей с твердостью до 50 HRC. Такие пилы используются для резки большинства сталей и обычных нержавеющих сталей. Таким образом, зуб пилы M42 подходит для резки обычных ферритных нержавеющих сталей, таких как AISI 430 SS.

Наноструктурированные износостойкие высокотвердые покрытия с высокими физико-механическими и прочностными характеристиками, стойкостью к ударным и вибрационным нагрузкам способствуют повышению износостойкости и ресурса ленточных пил [2, 3]. Пленки твердого алмазоподобного углерода (DLC), состоящие из аморфного углерода с неупорядоченным графитовым упорядочением, стремящимся к тетраэдрической алмазопо-добной координации, представляют интерес для материаловедов из-за их превосходных механических и трибологи-ческих свойств. Углеродные пленки типа DLC представляют собой метастабильную смесь твердых фаз - твердой алмазоподобной фазы с sp3-связями и более мягкой графитоподобной фазы с sp2-связями [4, 5]. Соотношение состава двух углеродных фаз в полученной DLC-пленке зависит от метода осаждения и параметров. Многочисленные экспериментальные результаты показали, что аморфные пленки DLC обычно характеризуются низким коэффициентом трения, высокой твердостью, хорошей химической инертностью, оптической прозрачностью в инфракрасном диапазоне, отличной долговечностью и используются в качестве износостойких и антикоррозионных покрытий [6]. Пленка DLC показала хорошее снижение трения и противоизносные свойства при скольжении по стальным аналогам в условиях отсутствия смазки, что было приписано графитизации пленки DLC и образованию переносимого слоя DLC на поверхности аналога [7]. Углеродные пленки, полученные магнетронным напылением в режиме постоянного тока [8-10] и ВЧ несбалансированного магнетронного распыления [11], изучались ранее. Таким образом, целью настоящей работы является исследование структуры поверхности и качества поверхности пленок аморфного углерода, напыленных магнетроном с постоянным ВЧ током, с различной толщиной на подложке из быстрорежущей стали M42. Основное внимание в исследовании уделяется микроструктурным, термоэмиссионным, микротвердым и трибологическим свойствам полученных пленок на основе углерода.

Тонкие пленки безводородного углерода толщиной от 100 Нм до 800 Нм были нанесены на подложку из быстрорежущей инструментальной стали AISI M42 с помощью ВЧ (13,56 МГц) из графитовой мишени методом магнетронного распыления Quorum Q150 ES с использованием 2,25-дюймовой тороидальной магнетронной системы при мощности ВЧ. 85 Вт. В качестве целевого источника углерода использовали графитовую фольгу высокой чистоты (номинальная чистота> 99,995%). В качестве распыляющего газа использовался аргон номинальной чистоты> 99,998 %.

В качестве материала подложки использовались тонкие 2-миллиметровые образцы подложек из быстрорежущей стали M42. Образцы очищали в ультразвуковой мойке последовательно ацетоном и этанолом и сушили в вакуумной печи ДЗФ-6090. Для очистки подложек от остаточных поверхностных загрязнений применялась процедура аргонно-плазменного травления. Для осаждения камеру откачивали до базового давления 2x10-3 мбар. В вакуумную камеру вводили аргон, в результате чего давление составляло 1x10-2 мбар. Следовательно, температура подложки контролировалась во время процесса осаждения с помощью электрически изолированной термопары К-типа, установленной на задней стороне держателя подложки.

При малых толщинах напыления углеродных пленок наблюдались температуры подложки ~36±20°С, тогда как максимальная температура ~430°С была зарегистрирована для напылений с наибольшими затратами энергии и времени, при которых получали тонкие углеродные пленки толщиной 800 Нм. Осаждение проводилось при комнатной температуре, время осаждения составляло до 3,7 ч для пленки 800 Нм. Расстояние от подложки до мишени было зафиксировано на уровне 60±1 мм.

Топография осажденных тонких DLC-пленок различной толщины была получена с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) JEOL JSM-7500F с ускоряющим напряжением 15 кВ при рабочем расстоянии

361

7,6 мм в высоком вакууме.

Спектры оптического диффузного отражения осажденных углеродных пленок на поверхность быстрорежущей стали М42 измеряли на спектрофотометре Hitachi U-3900 с двухканальной интегрирующей сферой. Значения электронной запрещенной зоны Eg из оптических измерений диффузного отражения света определяли по уравнению Кубелки-Мунка.

Влияние объемной твердости углеродных пленок с покрытием проверяли на микро твердомере Falcon 500 путем приложения нагрузки 0,05 кгс пирамидальным микроиндентором к поверхности с покрытием и выдержке в течение 15 с. Затем нагрузку медленно удаляли и вычисляли площадь отпечатка, измеряя диаметры с помощью микроскопа с наименьшим счетом 0,01 мм. Измеренные значения твердости для трех различных испытаний (HV0,05) использовались далее.

Трибологические измерения сформированных DLC-покрытий толщиной 600 Нм на образцах из быстрорежущей стали M42 проводились с помощью осциллирующего трибометра MMD1 типа «штифт на диске», работающего с металлическим шаровым штифтом из нержавеющей стали AISI 430 диаметром 5 мм. и нормальной нагрузкой 2 Н. Используется шар из стали AlSl 430 диаметром 5 мм. со средней твердостью 228 ± 10 HV. Штифт совершает колебания с разностью амплитуд 0,5 мм. и частотой 5 Гц по поверхности образца. Эксперименты проводились в закрытых атмосферных условиях при постоянной комнатной температуре 230°С и влажности воздуха 65±5%. Трение между штифтом и образцом вызывает колебания образца, которые регистрируются и оцениваются по коэффициенту трения. Центральное сечение каждой дорожки износа измеряли цифровым профилометром TR100. Микровесы Mettler Toledo XP6 Automated-S, используемые для определения плотности производимой DLC-пленки.

Цифровой микроомметр UT620A, используемый для измерения поверхностной электропроводности термически отожженных образцов быстрорежущей стали M42. Коэффициент теплового излучения чистой, оксидированной и отожженной подложки из быстрорежущей стали M42 с DLC-покрытием определяли цифровым термометром UT303D с оценкой коэффициента теплового излучения путем усреднения результатов трех независимых измерений. Электроплита с цифровым управлением IKA C-Mag HS7 использовалась для термической обработки образца чистой и DLC-покрытой подложки M42 HSS со скоростью нагрева 50 K/мин и стабилизацией в течение 2 минут при 3000C. Тепловизор Smart Sensor ST9450 с рабочим диапазоном длин волн 8-14 мкм используется для наблюдения за температурными полями на поверхности исследуемых образцов из быстрорежущей стали М42.

Полученные тонкие углеродные пленки оказались плотными и хорошо держались на металлических и стеклянных подложках без микроотверстий. ВЧ-магнетронное напыление с плотностью мощности 2,2 Вт/см2 привело к средней скорости роста углеродной пленки 2,4±0,2 Нм/мин. Для достижения более высокой скорости роста плотность мощности на графитовой мишени была ступенчато увеличена до 3,3 Вт/см2, что дало среднюю экспериментальную скорость роста углеродной тонкой пленки 3,6±0,2 Нм/мин.

Полученные углеродные слои согласно SEM представляют собой аморфные углеродные структуры, слегка легированные азотом, с расчетным содержанием азота около 4 ± 1 атомных процентов в соответствии с измерениями количественного анализа структуры электронной дифракции (EDSA). Небольшая примесь азота в напыленной углеродной пленке, вероятно, связана с примесью плазмообразующего газа аргона и неполной откачкой в процессе магнетронного напыления.

По данным СЭМ видно, что изготовленные углеродные покрытия содержат кластеры наночастиц размером 12-17 Нм, причем размер кластеров наночастиц незначительно варьируется в углеродных покрытиях различной толщины. На отдельных участках полученной углеродной пленки (рис. 1) поверхности видны отдельные мелкие островки размером около 60-80 Нм согласно предыдущим исследованиям [12].

4 У vJH

л я 4 4 * í щр. щ * -' f

ЮОгнл 100 от 100 пт 100 um

abed Рис. 1. Микроструктура напыленных углеродных покрытий: а - 200 нм; б - 400 нм; в - 600 нм; г -800 нм

Рассчитанные с помощью программы Gwyddion 2.54 значения фрактальной размерности в кубическом счете и треугольной аппроксимации для полученных наноструктурированных углеродных покрытий представлены на рис. 2.

KVt„

.....

d ¡Oi-C). nm

а Ь

Рис. 2. Фрактальная размерность в наноструктурированных углеродных покрытиях (а) и микротвердость по Виккерсу образцов исходного материала М42 ИББ и с нанесенными наноструктурированными углеродными

покрытиями (б)

Наблюдаемое уменьшение фрактальной размерности полученных наноструктурированных углеродных пленок происходит за счет рекристаллизации наночастиц в длительном процессе магнетронного распыления. Уменьшение фрактальной размерности полученных толстых углеродных пленок можно интерпретировать как появление углеродных наночастиц с более плоскими гранями.

Из данных рис. 2 следует, что используемые наноструктурированные углеродные покрытия заметно повышают твердость рабочих поверхностей образца быстрорежущей стали М42 как модели зубьев пилы. Таким образом, полученные результаты показывают, что разработанные однослойные углеродные наноструктурированные покрытия заметно повышают твердость рабочих поверхностей ленточной пилы из быстрорежущей стали.

Расчетные значения электронной запрещенной зоны Eg для полученных тонких углеродных пленок толщиной от 100 Нм до 800 Нм находятся в диапазоне от 4,23 до 4,30 эВ. Такие значения Eg ниже 5,5 эВ для чистого алмаза [5], но выше диапазона от 3,37 до 3,68 эВ для пленки DLC из [13] и более Eg = 2,55 эВ для пленок полимеро-подобного углерода (PLC) [14], или для пленок аморфного углерода, осажденных методом импульсного несбалансированного магнетронного распыления в диапазоне 1,6-2,1 эВ [15].

Спектральная излучательная способность описывает способность поверхности материала излучать излучение на определенной длине волны по отношению к излучению абсолютно черного тела. Его определение - это отношение между лучистой энергией, излучаемой реальным объектом, и энергией, излучаемой черным телом при той же длине волны и температуре. Известно, что наблюдаемая излучательная способность измеряемых металлов увеличивается с увеличением шероховатости [16, 17]. Многочисленные эксперименты подтверждают, что как окисление поверхности, так и шероховатость поверхности влияют на спектральную излучательную способность, при этом окисление поверхности оказывает более доминирующее влияние [16, 17].

Далее были рассмотрены результаты исследования влияния окислительного отжига на воздухе на характеристики наноструктурированного углеродного покрытия для образца быстрорежущей стали М42. Проведен скоростной (50°С/мин) термический отжиг с выдержкой 2 минуты в температурных точках интереса для образцов зубьев пилы с покрытиями и без них в диапазоне температур от 50 до 350°С с шагом 50°С. При каждой температуре после 2-минутного нагрева в течение 20-30 секунд проводили трехкратное определение коэффициента теплоотдачи (рис. 3) в направлении нормали к зубу пилы, закрепленному горизонтально на керамической поверхности нагрева электроплиты.

10

05

06 04 02 0 0

R, Ohm*cm *

♦ 1.0

Ф

окисленная металличмкая поверхность • ♦ *

металлическая поверхность

Т, °С

€(8-14 рт)

V

кзрбоновая пленка ♦

Ш2 HSS

т,°с

0-2

о £0 1оо 160 гоо гм loo эм 0 м 1М 1Н) 100 гн)

Рис. 3. Термическая зависимость поверхностного электрического сопротивления образцов М42 HSS (а) и (б) с нанесенными наноструктурированными углеродными покрытиями

Систематическое увеличение наблюдаемых характеристик поверхностного электрического сопротивления образцов быстрорежущей стали марки М42 и значений теплового излучения в среднем ИК-диапазоне связано с образованием пленок оксидов металлов, как на поверхности металлических износостойких покрытий, так и на поверхности материал HSS зубьев пилы. При термоокислительном отжиге быстрорежущей стали М42 (при ориентировочном содержании элементов Mn - 0,5 %, V - 1 %, Co - 1 %, Cr - 4 %, Mo - 10 %, Fe >82 %) выделяются основные продукты низко- температурному окислению наиболее вероятны оксиды металлов следующего состава: Fe3O4 и Fe2O3, M0O2, VO2, СГ2О3, CoO и C03O4. Также увеличение шероховатости поверхностных оксидных пленок, образующихся при термическом воздействии быстрорежущей стали марки М42, приводит к увеличению ИК-термоэмиссионных характеристик отожженного образца быстрорежущей стали с ростом температуры.

Результаты исследования влияния температуры в диапазоне 100-3500С на микроструктурные и спектро-физические свойства БСП М42 показали, что при формировании поверхностных широкозонных полупроводниковых оксидных пленок изменяется микроструктура и шероховатость поверхности БТР. Также теплоэмиссионные характеристики в ИК-диапазоне для разработанных наноструктурированных DLC-подобных износостойких покрытий на поверхности режущей кромки зубьев ленточной пилы из быстрорежущей стали М42 не изменялись в диапазоне температур 50-350°С. Это свидетельствует о высокотемпературных окислительно-защитных свойствах полученной углеродной наноструктурированной пленки.

Из измерений трения были записаны коэффициент трения и профиль износа. Коэффициенты трения HSS М50 по сравнению с SS430 находятся в диапазоне О,49±0,01 для неокисленного образца HSS M51 и 0,57±0,02 для окисленного при 3000C образца HSS M51. Доказано, что коэффициент трения DLC-покрытий, скользящих по шарику из нержавеющей стали SS430, стабилен в пределах 0,11-0,13, а затем снижается до 0,08 при большом количестве циклов трения (38000-40000). Таким образом, среднее значение FC=0,11±0,02 для образцов M51 с покрытием DLC по сравнению с наблюдаемым SS430. Этот результат хорошо согласуется с предыдущими исследованиями [18]. Мы предположили, что снижение коэффициента трения DLC-покрытий, скользящих по стали SS430, наблюдается после того, как большое расстояние скольжения возникает в результате процесса термомеханической индуцированной графитизации. Графитизация, вероятно, вызвана напряжениями, создаваемыми фрикционным контактом, а не теплом, вызванным трением, поскольку повышение температуры в испытании незначительно.

Микровесовая измеренная и рассчитанная средняя массовая плотность полученных DLC-покрытий со слоем 800 нм составляет 2,8±0,2 г/см3, что больше 2,2 г/см3 для графитоподобных аморфных углеродных пленок [3] и меньше 3,2 г/см3 для тетраэдрического аморфного углерода [4]. Таким образом, можно заключить, что получена сильно искаженная ячеистая структура атомарного углерода со слегка преобладающими sp3-связями и значительной долей тетраэдрической аморфной углеродной фазы.

Наблюдаемая стабильность значения коэффициента трения для разработанного алмазоподобного покрытия и поведения следов износа после окислительного термического отжига при 3500°С для обработанного образца быстрорежущей стали М42 примечательна и, по-видимому, соответствует стабильности коррозионно-защитного углеродного наноструктурного покрытия при повышении температуры.

Полученное покрытие DLC на резцовых пластинах имеет низкий коэффициент трения, что обеспечивает определенное преимущество при сухой металлообработке как цветных металлов, так и легированных сталей. Пленки DLC на поверхности резцовых пластин обладают хорошей адгезионной стойкостью в диапазоне температур до 400-4500С, что обеспечивает превосходное удаление сливной спиральной стружки цветных металлов без ее скручивания на теле заготовки или резцовой пластины. В случае обработки окисленной поверхности термически обработанных легированных сталей низкий коэффициент трения пленки DLC позволяет удалять оксидный слой с меньшими энергетическими затратами и меньшим тепловыделением.

Согласно данным обзорной работы [18], износ металлообрабатывающего инструмента происходит под воздействием комплексного воздействия, включающего механическое, термическое и химическое воздействие. Механизмы износа токарных пластин при металлообработке включают абразивный, адгезионный, диффузионный и окислительный износ [18]. Пленки DLC, благодаря низкому коэффициенту трения COF <0.2, способны эффективно снижать как абразивный, так и диффузионный износ из-за снижения тепловыделения. Аномально высокая химическая стойкость и высокая окислительная термостойкость пленок DLC до 5000С [19] сильно уменьшает вероятность адгезионного и окислительного износа токарных пластин. Также необходимо учитывать, что пленки DLC обладают очень высоким коэффициентом эмиссии теплового излучения около 0,99-1,00 в тепловом ИК-диапазоне (8-14 мкм) по сравнению с металлами (0,1-0,4), что позволяет эффективно осуществлять теплоотвод от поверхности, покрытой DLC пленкой резцовой пластины путем эмиссии теплового излучения при токарной обработке металлов.

Согласно авторитетному специалистов компании Sumitomo металлообрабатывающие инструменты, покрытые пленкой DLC, имеют меньшую силу резания по сравнению с обычным твердосплавным инструментом, как во влажных, так и в сухих условиях. Уменьшение необходимого тягового усилия при сверлильной обработке легированных алюминиевых сплавов на 67% инструментом с покрытием DLC обеспечивает более высокую эффективность сверления по сравнению с инструментами без покрытия при скорости подачи в 3-5 раз большей. Уменьшенное усилие резания на 45-46% при использовании инструментом с покрытием DLC также заметно уменьшает шероховатость поверхности легированных алюминиевых сплавов [20], устраняя необходимость в большинстве дополнительных операций по удалению заусенцев.

Также специалистами отмечается еще одно существенное преимущество покрытия DLC на токарном и фрезерном инструменте - увеличенный срок службы инструмента. В тесте по сравнению с конкурентами, инструменты с покрытием DLC, показывают в среднем увеличение срок службы металлообрабатывающего инструмента на 119% при обработке легированных алюминиевых сплавов. Также указывается, что увеличение срока службы токарного инструмента на 50%) может приводить к уменьшению стоимости металлообработки на треть [21]. Ранее было показано, что тесты токарной обработки сплавов Al-Si c помощью токарных пластин из цементированных карбидов марки K 20 показали снижение необходимого усилия подачи при использовании инструментов с покрытием DLC около 11,6% для сплава с 12 мас. % кремния и около 16,3% для сплава с 16 мас. % кремния. Также ранее было показано, что защитное DLC покрытие на твердосплавных резцах WC-Co позволяет при токарной обработке стеклопластиков позволяет увеличить срок службы резца по боковому износу почти в 4 раза, что позволяет снизить стоимость токарной обработки более чем на половину

Заключение. Таким образом, по результатам работы показано, что твердые аморфные углеродные пленки различной толщины от 100 Нм. до 800 Нм. могут осаждаться методом ВЧ-магнетронного распыления при низкой плотности мощности, обеспечивая при этом значительное содержание sp3 фракции алмазоподобного углерода. Хорошие свойства микроструктуры, защиты от износа и высокотемпературного окисления полученных твердых углеродных пленок были продемонстрированы для подложки M42 HSS в качестве материала для циркулярных и ленточных пил.

Финансовая поддержка. Работа выполнена при поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации (Соглашение № мД-2727.2022.4).

Список литературы

1. Е. Ю. Балаев, А. Е. Литвинов. Анализ современных технологий улучшения эксплуатационных характеристик режущих ленточнопильных станков. // Достижения в области инженерных исследований, 2018. Том 158, стр. 259-263.

2. Ф. Н. Хан, А. Даадбин, М. Перссон, Дж. Хайдер и Х. Хеллберг. Оценка эффективности покрытия TiAlSiN на зубе ленточной пилы при резке сплава Ti-17. // Труды Института инженеров-механиков, часть В: Журнал инженерного производства. 2012. Том. 226. Стр. 870-877.

3. А. Е. Литвинов, В.У. Бузько, Е. Ю. Балаев и А. И. Горячко. Разработка способа нанесения наноструктурированных и износостойких покрытий с высокой адгезией к поверхности режущего инструмента. // IOP Conf. Серия: Материаловедение и инженерия. 2019. №560. 012187.

4. Х.Ю. Дай, Л.В. Ван, Х. Цзян, Н.К. Хуан. Новая эмпирическая модель для оценки доли sp3 в алмазопо-добных углеродных пленках. // Китайские письма по физике., 2007. Том 24. №7. 2122.

5.Дж. Робертсон. Алмазоподобный аморфный углерод. // Материаловедение и инжиниринг: R: Отчеты. 2002. Том 37, № 4-6, С. 129-281.

6. Н. Охтаке, М. Хирацука, К. Канда, Х. Акасака, М. Цудзиока, К. Хиракури, А. Хирата, Т. Охана, Х. Ина-ба, М. Кано, Х. Х. Сайто. Свойства и классификация алмазоподобных углеродных пленок. // Материалы 2021, том 14, 315. https://doi.org/10.3390/ma14020315.

7. Ю. Джей Сюэ и Ю. З. Чжан. Поверхностные покрытия для трибологических и износостойких применений. // Международная термообработка и проектирование поверхностей. 2009. Том 3. № 1/2, С. 17-25.

8. Б. Ротер, У. Германн, С. Шульце. Износостойкие углеродные покрытия, нанесенные без напряжения смещения подложки. // Тонкие твердые пленки. 2001. 398-399. С. 187-192.

364

9. М. Кан, Н. Менегаццо, Б. Мизайкофф, Р. Бергхаузер, Дж. М. Лакнер, Д. Хуфнагель, В. Вальдхаузер. Свойства пленок DLC и DLC, легированных азотом, нанесенных методом магнетронного распыления на постоянном токе. // Плазменный процесс. Полим. 2007, 4, С200-С204.

10. С. Чжан, Х.Л. Буй, Ю. Фу. Твердые покрытия с очень высокой ударной вязкостью, полученные магне-тронным напылением. // Технология обработки поверхностей и покрытий. 2003. Том 167. С. 137-142. doi:10.1016/S0257-8972(02)00900-3.

11. К.Р. Лин, Д.Х. Вэй, К.К. Чанг, У.Х. Ляо. Оптические свойства алмазоподобных углеродных пленок для просветляющего покрытия методом радиочастотного магнетронного распыления. // Физическая энциклопедия. 2011. 18. с. 46-50.

12. В. Мроз, С. Бурдинска, А. Прокопюк, М. Едынски, Б. Буднер и М.Л. Корвин-Павловский. Характеристики углеродных пленок, нанесенных методом магнетронного распыления. // Acta Physica Polonica A, 2009. Том 116. С. 120-122.

13. А. А. Аббас и С. Дж. Кадхем. Получение и характеристика тонких пленок DLC с использованием плазменной струи атмосферного давления. // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2018. Том. 454. 012065 Х.Л. Чжоу, Т. Сузуки, Х. Накадзима, К. Комацу, К. Канда, Х. Ито и Х. Сайто. Структурный анализ пленок аморфного углерода методами спектроскопической эллипсометрии, RBS / ERDA и NEXAFS. // Письма по прикладной физике, 2017. Том 110, 201902.

14. Дай Х.Ю.; Чен Х.Р.; Ван К.Ф.; Сюэ Ю.С.; Чен З.П. Структурные, оптические и электрические свойства пленок аморфного углерода, нанесенных методом импульсного несимметричного магнетронного распыления. // Оптика. 2015, Том 126, С. 861-864.

15. Х.Дж. Джо, Дж.Л.Кинг, К. Бломстранд, К. Шридхаран. Спектральная излучательная способность окисленных и шероховатых металлических поверхностей. // Международный журнал тепло- и массообмена. Часть В, 2017. Том 115, С. 1065-1071.

16. Литвинов А.Е., Сизо А.А, Повышение эксплуатационных характеристик круглопильных отрезных станков. в сборнике: материалы, оборудование и ресурсосберегающие технологии. Материалы Международной научно-технической конференции. Могилев, 2023. С. 48-49.

17. А. Эрдемир, К. Биндал, Дж. Паган и П. Уилбур. Характеристика передаточных слоев на стальных поверхностях, скользящих по алмазоподобным углеводородным пленкам в сухом азоте. // Технология обработки поверхностей и покрытий. 1995. Том 76. С. 559-563.

18. Ф. Чен, Дж. Чен, Х. Чжоу и К. Ли. Пленки DLC, синтезированные на поверхности сплава Ti6Al4V плазменной пушкой при атмосферном давлении. // Форум по материаловедению. 2011. Том 687. С. 739-744.

19. Лицзюнь Ван, Янь Лю, Хуэй Чен, Мэнчао Ван. Методы модификации алмазоподобных углеродных покрытий и их эффективность при механической обработке: Обзор. // Покрытия. 2022, 12, 224.

20. Куньфэн Цзэн и Цзекунь Нин. Высокотемпературные трибологические свойства алмазоподобных углеродных пленок: обзор. // Обзоры по передовым наукам о материалах. 2021. Том 60. С. 276-292.

Сизо Алан Анзорович, аспирант, alansizo@mail.ru. Россия, Краснодар, Кубанский государственный технологический университет (КубГТУ),

Литвинов Артем Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, artstyleone@mail.ru, Россия, Краснодар, Кубанский государственный технологический университет (КубГТУ),

Бузько Владимир Юрьевич, канд. хим. наук, доцент, Россия, Краснодар, Кубанский государственный технологический университет (КубГТУ),

Чукарин Александр Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, opm@rgMps.ru, Россия, Ростов-на-Дону, Ростовский государственный университет путей сообщения (РГУПС)

CHARACTERISTICS OF PROTECTIVE CARBON FILMS DEPOSITED BY MAGNETRON SPUTTERING ON HIGH-SPEED STEEL M42

A.A. Sizo, A.E. Litvinov, V.Yu. Buzko, A.N. Chukarin

One of the most versatile grades of high-speed steels used as the teeth material of the most popular bimetallic saws is M42. This steel is characterized by high hardness (HRC 64-67), excellent temperature resistance up to 700 degrees, good wear resistance and is suitable for cutting stainless steels with hardness up to 50 HRC. Nanostructured wear-resistant high-hardness coatings with high physical-mechanical and strength characteristics, resistance to shock and vibration loads contribute to increasing the wear resistance and service life of band saws. Films of solid diamond-like carbon (DLC) consisting of amorphous carbon with disordered graphite ordering tending to tetrahedral diamond-like coordination are of interest to materials scientists because of their excellent mechanical and tribological properties. Dense and solid carbon films with a structure of nanoparticles measuring 12-17 nm were deposited on AISIM42 HSS steel by RF magnetron sputtering. The Vickers microhardness of the M42 HSS film coated with a thickness of 800 nm DLC is 838±19 compared to 783±18 for a pure M42 HSS sample. Good microstructural properties, properties of protection against wear and high-temperature oxidation of the obtained carbon nanostructured films on the surface of high-speed steel M42 are observed.

Key words: magnetron sputtering, wear, high temperature protection, coating, nanostructured films, high-speed

steel.

Sizo Alan Anzorovich, postgraduate, alansizo@mail.ru, Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University (KubSTU),

Litvinov Artem Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, artstyleone@mail.ru. Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University (KubSTU),

Buzko Vladimir Yuryevich, candidate of chemical sciences, docent, Russia, Krasnodar, Kuban State Technological University (KubSTU),

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Chukarin Alexander Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, opm@rgups.ru. Russia, Rostov-on-Don, Rostov State University of Railway Engineering (RSUPS)

УДК 621.793.3

DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-361-362

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА УПРОЧНЯЮЩИХ ПОКРЫТИЙ ИЗ ТВЕРДЫХ СПЛАВОВ С НИЗКИМ СОДЕРЖАНИЕМ ХРОМА ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ СЕЛЬХОЗМАШИН

А.В. Ишков, М.В. Полковникова, В.Н. Маликов, А.О. Катасонов, С.А. Войнаш, В.А. Марков, Р.Р. Загидуллин

Предложен наплавочный материал Fe-Si-Cr-Cu-C-B экономно легированный хромом для упрочнения деталей сельхозмашин методом индукционной наплавки, который способен заменить широко используемые в настоящее время материалы: сормайт № 1,2, ПГ-УС25/27 и аналогичные им. Содержание хрома в новом материале составляет 4.3 %, что в 3-8 раз меньше аналогов. Новый материал получен металлургическим методом, исследованы его фазовый, химический состав и свойства. Главной фазой сплава является ферросилид FeSi n, по границам зерен которого выделяется карбидная фаза - мелкие частицы карбидов Cr2C3, Cr7C3 правильной и игольчатой формы, а также крупные частицы специальных карбидов хрома (Cr,Fe)C3, (Cr,Fe)23Ce. По относительному содержанию, карбиды в новом материале можно условно расположить в следующий ряд: (Cr,Fe)23Ce > (Cr,Fe)7C3 > CrC3 > Cr2C3.

Ключевые слова: индукционная наплавка, хром, упрочнение, карбиды, сельхозмашины.

В современном машиностроении для поверхностного упрочнения деталей сельскохозяйственных машин, выполненных из конструкционных и легированных сталей, широко применяют различные методы создания износостойких покрытий из функциональных материалов: порошковые покрытия, керамика и термостойкие полимеры, одно и многокомпонентные металлические и композиционные гальванические покрытия, твердосплавные покрытия и пр. [1]. Для продления срока службы и сохранения параметров этих деталей их поверхность упрочняют покрытиями высокохромистых чугунов-сплавов и композиционных материалов систем Fe-Cr-C, Ni-Cr-C и др., формируемых, как правило, высокопроизводительным методом индукционной наплавки или напылением [2]. Тем не менее, износостойкость этих материалов, в отдельных случаях (молотки дробилок, ножи измельчителей, лемехи плугов и др.) может оказаться недостаточной [3].

В настоящее время, уже получен ряд новых наплавочных материалов, удовлетворяющих как современным требованиям переработки сельскохозяйственной продукции, так и индукционной наплавки, которые имеют комплекс новых физико-механических свойств. Традиционно новые материалы для индукционной наплавки получают металлургическими методами, создавая материал нужного состава, или используя специальные модификаторы

[4].

Процессы наплавки из-за различий величин вложений тепла и свойств электродных материалов оказывают специфическое влияние на свойства покрытий [3,6-7]. В работе [3] проводилось исследование влияния добавления меди в металл в атмосфере сверхчистого титана. Сплавы переправлялись 4 раза для повышения однородности материала. Установлено значительное ухудшение пластичности металла при несущественном повышении твердости. В [6,7] авторами исследованы высокоэнтропийные сплавы, имеющие в своем составе более 5 элементов в практически равных отношениях. Установлено, что структура такого сплава напрямую влияет на его механические свойства.

Также установлено, что снижение свойств наплавленного металла, как правило, происходит из-за дефектов, которые могут возникнуть в процессе наплавки. Это может приводить к ускоренному разрушению наплавленных покрытий. Современные способы наплавки позволяют регламентировать скорость охлаждения материала наносимых покрытий и управлять процессами их плавления и кристаллизации, формированием структуры и повышением физико-механических свойств [3,6].

Новые материалы можно получать и по инновационным, совмещенным технологиям. Тогда материал образуется непосредственно на поверхности детали, in site, в результате протекания управляемых физических и химических процессов [5]. Например, такими новыми материалами являются разработанные авторами боридные покрытия, получаемые при ТВЧ-нагреве стальных деталей в специальных борирующих смесях, на основе В4С и флюса П-0,66 [6].

Основой этих материалов является эвтектика Fe-B-FeBn, которая может содержать включения различных упрочняющих фаз: бориды легирующих металлов, входящих в сталь (Cr, W, V и др.), либо вещества, отвечающие технологическим требованиям индукционной наплавки, например, интерметаллиды систем Fe-Al, Ni-Al [7].

К таким новым материалам можно отнести и составы, содержащие как упрочняющие фазы, стехиометри-ческие соединения, образующиеся в системе Fe-Si, реализованной в доступном промышленном материале - ферро-силиде FeSin (чугун марки ФС-17).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.