CC BY
54
УДК 538.9
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОКРЫТИЙ (Co45Fe45Zr1o)x(Al2O3)1oo-x
И.М. Трегубов1), М.Ю. Смолякова2), М.А. Каширин1),
М.К. Добрынин^, О.В. Стогней1)
1) Воронежский государственный технический университет,
Московский пр. 14, Воронеж, 394016, Россия, e-mail: [email protected] 2) Белгородский государственный университет,
НОиИЦ «Наноструктурные материалы и нанотехнологии», ул. Победы 85, Белгород, 308015, Россия.
Аннотация. Проведено исследование износостойкости и микротвёрдости тонкоплёночных нанокомпозиционных покрытий (Co45Fe45Zr1o)x(Al2O3)10o-x в широком интервале концентраций металлической фазы (30 < x ат. < 65%). Установлено, что максимальная твёрдость (до 11 ГПа) наблюдается в композитах с концентрацией металлической фазы более 50 ат %. Показано, что нанесение на ситалловую подложку СТ-50 наногранулированного композита приводит к увеличению износостойкости более чем на два порядка относительно чистого ситалла. Фактор износа для композита (Co45Fe45Zr1o)x(Al2O3)1oo-x составляет 0, 4 ■ 10-6 ^
1, 3 ■ 10-6 мм3Н-1м-1.
Ключевые слова: наногранулированные композиционные пленки, износостойкость.
1. Введение. Эффективным средством повышения износостойкости металлических изделий является создание на их поверхности упрочняющих покрытий, получаемых различными методами [1-2]. В настоящее время одним из методов упрочнения поверхности металлических материалов является создание нанокомпозитов металл-керамика, так как перспективным представляется сочетание в одном материале преимуществ, которыми обладает керамика и металлические сплавы по отдельности. В данной работе исследованы механические характеристики наноструктурных покрытий, сформированных из композиционных материалов (Co45Fe45Zr1o)x(Al2O3)1oo-x, и установлены зависимости величины фактора износа и величины микротвёрдости композитов от концентрации металлической фазы.
2. Методика. Композиты получались методом ионно-лучевого распыления составных мишеней. Осаждение компонентов материала производилось на ситалловые подложки СТ-50. Толщина покрытий составляла ~ 5^6 мкм. Наногранулированность структуры композитов подтверждалась электронно-микроскопическими исследованиями образцов (600 ^ 800 А), напыленных на монокристаллы NaCl. Химический состав образцов контролировался рентгеновским электронно-зондовым микроанализом. Исследование износостойкости композиционных покрытий проводилось с помощью автоматизированной машины трения по схеме испытания "шарик-диск" [3]. В качестве материала контртела был выбран корундовый шарик диаметром 6 мм. Трибологические характеристики исследуемых образцов оценивали в зависимости от прикладываемой нагрузки 2 и 4 Н, при скорости вращения 7 см/сек и пути трения 200 м. Измерение микротвёрдости нанокомпозитов осуществлялось по методу Виккерса с помощью прибора ПМТ-3М при нагрузке на индентор 0,29 и 0,49 Н.
3. Результаты. Микроструктура композита (Co45Fe45Zr1o)55(Al2O3)45 показана на рис. 1. Она представляет собой систему, которая состоит из металлических гранул, распределённых в
керамической матрице. При меньшей концентрации металлической фазы гранулы становятся более изолированными друг от друга, и их размеры снижаются, при увеличении концентрации образуется больше металлических кластеров [4]. Электронная дифракция, полученная от образцов (Со4^е4^г10)ж(А12О3)100-ж, свидетельствует о том, что как керамическая матрица, так и металлическая фаза композитов являются аморфными.
Механические свойства нанокомпозитных покрытий зависят от объёмного соотношения фаз, химического взаимодействия между фазами и их микроструктуры, поэтому одним из наиболее важных вопросов, является вопрос о влиянии морфологии композитов на их механические свойства. Морфология, в свою очередь, определяется объёмным соотношением фаз и химическим взаимодействием между ними, поэтому в данной работе использовались покрытия, содержащие различное количество металлической фазы (30 < х ат. < 65% ).
Рис. 1. Электронная микрофотография композита (Со4^е45Zr10)55(Al2O3)45.
Исследование износостойкости ситалловой подложки и композиционных покрытий (Со4^е4^г10)ж(А12О3)100-ж, показало, что износостойкость композитов на два порядка выше износостойкости ситалла (рис. 2). Для ситалла фактор износа составил: 2,0 ■ 10-4 и 2, 3 ■ 10-4 мм3Н-1м-1, при прикладываемой нагрузке на контртело 2 и 4 Н соответственно. Стоит отметить, что значения фактора износа для ситалла практически не изменяются при увеличении нагрузки в 2 раза. Нанесение на ситалловую подложку наногранулированного композита (Со4^е4^г10)ж(А12О3)100-ж приводит к снижению фактора износа, измеряемого при 2 Н до 0, 4 ■ 10-6 ^ 1, 3 ■ 10-6 мм3Н-1 м-1, в зависимости от содержания металлической фазы. Причём, увеличение концентрации металлической фазы приводит к ухудшению износостойкости композитов. Снижение износостойкости наблюдается в тех композитах, чей состав находится за порогом перколяции. Увеличение нагрузки до 4 Н приводит к разрушению композиционного покрытия. По всей видимости, разрушение плёнки происходит вследствие низкой адгезии покрытия к подложке. Об этом свидетельствует внешний вид подложки в области следа от контртела при нагрузке. Поверхность подложки слабо деформирована, в то время как покрытие с неё удалено практически полностью (рис. 3).
Рис. 2. Концентрационная зависимость фактора износа, измеренного при нагрузке 2 Н нанокомпозитов (Со4^е4^г10)ж(А12О3)100-ж.
Рис. 3. Вид ситалловой подложки с нанесенным покрытием нанокомпозита (Со4^е4^г10)38(А12О3)б2 после испытаний при нагрузке на держатель контртела 4 Н.
На рис. 4 показана концентрационная зависимость микротвёрдости нанокомпозитов (Со4^е4^г10)ж(А12О3)100-ж. Очевидно, что микротвёрдость монотонно возрастает с увеличением концентрации металлической фазы, достигая максимальных значений при ^60 ат.%, после чего начинает резко снижаться. Возможно, это связано с тем, что в интервале составов 30-55 ат.% Со4^е45Zr10 морфология композитов представляет собой совокупность наноразмер-ных металлических гранул или небольших цепочек из них, окруженных керамической прослойкой (рис. 1). При этом, обычный механизм пластического деформирования в такой структуре объёмного аморфного металлического сплава блокируется вследствие малости металлических областей. Межзёренное скольжение также блокируется, поскольку в композитах рассматриваемого концентрационного диапазона металлические гранулы изолированы друг относительно
друга керамическими прослойками. Блокирование смещения зёрен друг относительно друга способствует высокой прочности и износостойкости нанокомпозитов металл-керамика. С другой стороны, наличие металлических областей в объёме керамической фазы-"сетки" препятствует линейному развитию микротрещин при деформировании композиционного покрытия, обеспечивая его высокую прочность. Снижение микротвёрдости в композитах, содержащих металлическую фазу в количестве, превышающем 60 ат.% Co45Fe45Zrlo, обусловлено разрывом армирующей керамической сетки и формированием больших металлических кластеров, в которых возможна пластическая деформация.
ТЮО
ТО0О
по
0ЙО
700
600
V № * * *
« #
# * •
Чисгын СоРе£г 1
¥ ■Ситапп
■ ■ 1 Ь Ь . л -
30
40
50
МС эт.96
60
70
Рис. 4. Концентрационная зависимость микротвёрдости нанокомпозитов
(^45^45 ^10 ^(А-ЬОз) 100-х
4. Выводы. Показано, что нанесение на ситалловую подложку наногранулированного композита (Co45Fe45Zrlo)x(Al2Oз)loo-x приводит к увеличению износостойкости, измеряемой при нагрузке 2 Н, более чем на три порядка. Фактор износа уменьшился с 2,0 ■ 10-4 ^
2, 3 ■ 10-4 мм3Н-1м-1 (ситалл) до 0, 3791 ■ 10-6 - 1, 289 ■ 10-6 мм3Н-1м-1 (композит). Возрастание концентрации металлической фазы в композите приводит к снижению его износостойкости. Установлено, что концентрационная зависимость микротвёрдости нанокомпозитов (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x немонотонна и проходит через максимум. В интервале составов 30-60 ат.% Co40Fe40Zr20 наблюдается возрастание микротвёрдости, достигающей максимального значения ~ 11 ГПа при концентрации металлической фазы 60 ат. %. Предполагается, что высокие механические свойства композитов обусловлены особенностями их морфологии, которая представляет собой сочетание двух различных наноструктурированных сред: металлической и керамической, с высокой объёмной долей границ раздела фаз, препятствующих как межзёренному скольжению, так зарождению и развитию дислокаций, а также хрупкому растрескиванию.
Работа выполнена в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" г/к № 14.740.11.0986 и гранта РФФИ 09-02-97536-р центра.
Литература
1. Xu G. Characteristics of Ni-based coating layer formed by laser and plasma cladding processes / G. Xu, M. Kutsuna, Z. Liu, H. Zhang // Materials Science and Engineering A. -2006. - 417. - P.63-72.
2. Kim H.-J. Assessment of wear performance of flame sprayed and fused Ni-based coatings /
H.-J. Kim, S.-Y. Hwang, C.-H. Lee, P. Juvanon // Surface and Coatings Technology. - 2003. -172. - P.262-269.
3. Вершинин Д.С. Исследование трибологических свойств азотированного титанового сплава ВТ16 / Д.С. Вершинин, М.Ю. Смолякова, и др. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - 2010. - 76;12. - C.45-48.
4. Ремизов А.Н. Электрические свойства нанокомпозитов аморфных сплавов Co45Fe45Zrio В матрице из SiO2 и А120з / Диссертация на соискание учёной степени кандидата физ.-мат. наук. Воронеж, 2003. - 148 с.
5. Koval N.N., Sochugov N.S., Devyatkov V.N., Grigoryev V.P., Arslanov I.R., Mikov A.V., Podkovyrov V.G., Kensuke Uemura. Automated power-complex for materials by electron beam // Известия вузов. Физика. - 2006. - 8. - Приложение. - С.51-54.
INVESTIGATION OF MECHANICAL PROPERTIES OF NANOSTRUCTURED COATING GRANULAR COMPOSITES
(C045Fe45Zrio)x(Al2O3)l00-x
I.М. Tregubov1^ M.Yu. Smolyakova2), M.A. Kashirin1),
M.K. Dobrinin1), O.V. Stognei1)
1) Voronezh State Technical University,
Moskovsky av., 14, Voronezh, Russia, 394016, e-mail: [email protected]
2) Belgorod State University,
Centre of nanostructural materials and nanotechnologies,
Pobedy st., 85, Belgorod, 308015, Russia.
Abstract. Thin coatings of nanogranular composites (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x have been investigated in the wide range of concentration (30 < x aT. < 65%) from the viewpoint of their mechanical properties. It has been established that maximum hardness (up to 11 GPa) is observed in composites when the concentration of metallic phase is more than 50 at. %. It has been shown that the coating of the nanogranular composite of the glass-ceramic substrate ST-50 leads to the increasing of the wear resistance. It is more than two value orders relative to pure glass-ceramic. It has been found that the dimensional wear coefficient of nanocomposites (Co45Fe45Zr10)x(Al2O3)100-x is 0, 4 ■ 10-6 ^ 1, 3 ■ 10-6 mm3N-1m-1.
Key words: nanogranular composite films, wear resistance.
