CC BY
127
п гтгг^ г кгатгргот] I qq
-3 (62). 2011/ U U
It is offered to use the complex approach to formation of the protective coatings, including deposition of coverings of multi-component structure with use of the separated plasma flows, in the present work.
Д. В. КУИС, БГТУ,
С. Д. ЛАТУШКИНА, И. М. РОМАНОВ, А. Г. ЖИЖЧЕНКО, ФТИ НАН Беларуси, Н. А. СВИДУНОВИЧ О. Ю. ПИСКУНОВА, П. В. РУДАК, БГТУ
УДК 621.74
НАНОКОМПОЗИТНЫЕ ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, ОСАЖДАЕМЫЕ ИЗ ПОТОКОВ СЕПАРИРОВАННОЙ ПЛАЗМЫ
Изнашивание, коррозия, циклические изменения температуры и тепловое разрушение изделий различного функционального назначения являются решающими факторами выхода из строя машин и технологического оборудования. На современном этапе развития техники предъявляются новые требования к качеству поверхностей деталей машин, работающих при интенсивном воздействии различных факторов изнашивания. Это обусловливает необходимость повышения физико-механических или эксплуатационных свойств деталей машин и механизмов при сохранении высокой точности поверхности. Данная актуальная для многих отраслей машиностроения проблема может быть решена только путем постоянного совершенствования всех составляющих процесса изготовления деталей. Возрастающие потребности промышленности в новых прогрессивных методах и средствах обработки быстроизнашивающихся деталей могут быть удовлетворены только с применением новейших технологий и материалов.
Пленочная технология является одним из способов получения наноструктурированных материалов, функциональные свойства (физико-механические, химические, оптические и др.) которых могут существенно отличаться от свойств соответствующих материалов в компактном состоянии. Причем прогресс в области получения новых материалов с высокой износо- и коррозионной стойкостью на основе наноматериалов наиболее ощутим на примере развития технологии формирования вакуумно-дуговых покрытий. Способ вакуумно-дугового осаждения позволяет получать нанокри-сталлические покрытия из тугоплавких соединений с гораздо более мелким зерном, чем в случае других альтернативных нанотехнологий (компак-тирования из ультрадисперсных порошков, кри-
сталлизация из аморфной фазы, интенсивная пластическая деформация и т. п.).
С целью повышения износостойкости рабочих поверхностей различных изделий широкое применение получили покрытия на основе нитрида титана (ТК) [1-3]. Однако в процессе более детального исследования свойств выяснилось, что они обладают рядом недостатков, ограничивающих перспективу их использования в промышленности. Так, они имеет низкую окислительную стойкость. При нагреве выше 550 °С на поверхности покрытия ТК начинает расти хрупкий с низкой адгезией слой оксида титана в фазе рутила, который быстро разрушает защитную стойкость покрытия [1]. Недостаточными для современного уровня развития техники и технологии оказались механические и триботехнические свойства этого покрытия.
В настоящее время на основе ТК разрабатывается новый класс покрытий - нанокомпозитные со средним размером зерен менее 100 нм, в частности, двухфазные покрытия на основе нитридов титана и алюминия, титана и хрома [4, 5]. Вследствие значительного увеличения объемной доли межзеренных границ такие покрытия имеют высокую твердость, износостойкость, окислительную стойкость и одновременно высокий коэффициент упругого восстановления и низкий коэффициент трения. Механизм образования нанокомпозитных структур связывают с сегрегацией одной фазы по границам зерен другой фазы, в результате которой прекращается рост кристаллитов. Последний ограничивается путем введения в состав растущего конденсата легирующих элементов, осуществляемого с помощью использования композиционных мишеней, бомбардировки растущего конденсата потоком ионов, чередования химического состава наноразмерных слоев при осаждении много-
Рис. 1. Схема сепаратора для двухкатодного распыления: 1 - источники питания; 2 - камера вакуумная; 3 - сепаратор
слойных структур, а также различной комбинации этих методов [6-9].
Управление структурой и фазовым составом покрытия обычно осуществляется подбором режимов осаждения, изменением концентрации легирующего элемента, парциального давления реакционного газа, температуры осаждения, потенциала смещения на подложке. Большинство работ в этом направлении связано с осаждением конденсатов из несепарированного потока. Однако присутствие в плазменном потоке макрочастиц (капель, твердых осколков материала катода) является основным недостатком, ограничивающим область применения вакуумно-дуговых эрозионных источников плазмы. Для удаления макрочастиц из потока конденсируемого материала при его движении от катода к поверхности конденсации используются различного рода электромагнитные системы поворота заряженных частиц.
В данной работе предлагается применять комплексный подход к формированию защитных слоев, включающий осаждение покрытий многокомпо-
нентного состава с использованием сепарированных плазменных потоков. Целью настоящего исследования было изучение структуры и физико-механических свойств ТьА1-К-покрытий, осажденных из двух источников сепарированной плазмы вакуумной дуги. Осаждение покрытий проводили на вакуумно-дуго-вой модернизированной установке УРМЗ.279.048, оснащенной сепаратором макрочастиц (рис. 1). Для получения покрытий были использованы катоды из ВТ1-0 и алюминия (99,99%). Осаждение при различных режимах осуществляли на подложки из стали 12Х18Н10Т, твердого сплава и кремния. Время осаждения выбирали таким образом, чтобы толщина покрытий составляла 1,0-1,5 мкм.
Морфологию и структуру осажденных покрытий изучали с помощью растрового электронного микроскопа. Рентгеноструктурный и рентгенофа-зовый анализы проводили с помощью дифракто-метра ДРОН-3 в интервале углов ~30-120° в фильтрованном Си-Ка-излучении. Использование основных характеристик дифракционных максимумов позволило рассчитать параметр решетки (с1), размер областей когерентного рассеяния (Ь). Микротвердость покрытия измеряли нанотвердоме-ром Duramin при нагрузке индентора 25 г.
Как показали проведенные исследования, морфология поверхности покрытий характеризуется микроячеистой структурой, аналогичной покрытиям на основе чистого титана. Отсутствие капель на поверхности и в объеме покрытия (рис. 2, 3) свидетельствует об эффективной работе сепарирующей системы, используемой в настоящей работе.
а б в
Рис. 2. Морфология поверхности осаждаемых покрытий: а - под углом 70°; б - под углом 70°; в - общий вид поверхности
образца. а - х20000; б - х100000
а б в
Рис. 3. Фрактограмма осаждаемых покрытий: а - под углом 70°; б - под углом 90°; в - общий вид образца. а, б - х100000
/¡ггтт^ г: гтгтгггг/т^гггг? /
-3 (62), 2011 /
Рис. 4. Дифрактограмма покрытия ТьА1-Ы Структурные и механические характеристики композиционных покрытий
Покрытие I, А титанового катода Рх 10-2, Па I, А дополнительного катода % С, нм Ь, нм Н, ГПа
тс легирующий элемент
ТьАШ 55 0,3 50 72,83 13,68 0,421 10 24,48
60 64,27 23,86 0,419 12 21,25
0,6 50 71,12 11,64 0,422 15 24,38
60 65,31 20,34 0,419 20 20,14
В результате рентгеновских исследований установлено, что при использовании алюминиевого и титанового катодов в покрытии появляются линии кристаллической фазы (И, А1)Ы, которое представляет собой твердый раствор А1 в решетке ТЫ с кубической структурой типа ЫаС1 (рис. 4).
Как видно из рисунка, период решетки с ростом давления немного уменьшается: с 0,421 до 0,419 нм (см. таблицу). Полученные значения периода существенно ниже, чем в массивном ТЫ стехиометрического состава (0,424 нм) и вакуум-но-дуговых конденсатов ТьЫ, осажденных из сепарированных потоков плазмы.
Такое уменьшение периода обусловлено замещением атомов Т в структуре ТЫ меньшими по
Т. мин
Рис. 5. Зависимость периода стойкости твердосплавных пластин с покрытиями ТьА1-Ы от концентрации алюминия в составе покрытия: 1 - 25% А1; 2 - 14; 3 - 50 (лит. данные)
размеру атомами А1. Полученные результаты согласуются с литературными данными, где показано, что пленка ТьА1-Ы характеризуется кубической структурой ТЫ с уменьшенным периодом решетки, если атомная концентрация А1 не превосходит 60%. Однако увеличение процентного содержания А1 в составе покрытия приводит к снижению микротвердости покрытия.
Испытания твердосплавных режущих пластин с покрытиями ТьА1-Ы при обработке древесностружечных плит (рис. 5) показали высокую рабо-
1д>
-то
-500
Е,м В
500
Ю00
К П К 2 *К П К 1
2
5000 - 4500 - 1000 - -2500 -2000 -1500 -юоо -500 0,000
V __ ч А П К 1
А ПК 2
Рис. 6. Поляризационные кривые в 3%-ном растворе ЫаС1: 1 - сталь 12Х18Н10Т, 2 - сталь 12Х18Н10Т с покрытием ТьАШ
ос /агтт^ г: ГиТГГАгггггггг
ии/ 3 (62),2011-
тоспособность при высоких скоростях (температурах) по сравнению с покрытиями Критерием стойкости служил износ по задней поверхности.
В результате электрохимических исследований ТьА1-К-покрытий на подложке из стали 12Х18Н10Т (рис. 6) установлено повышение защитной способности системы покрытие-подложка.
Таким образом, методом вакуумно-дугового осаждения из сепарированных плазменных пото-
ков получены нанокристаллические покрытия Т>А1-К с размером кристаллитов 10-20 нм. Показано, что целенаправленное легирование улучшает эксплуатационные свойства покрытий, такие, как износостойкость, сопротивление коррозии, что позволяет использовать их в качестве защитных слоев, осаждаемых на рабочие поверхности изделий различного функционального назначения.
Литература
1. S u n d g r e n J. E. Structure and properties of TiN coatings // Thin Solid Films. 1985. Vol. 128. P. 21-44.
2. А н д р и е в с к и й Р. А., А н и с и м о в а И. А., А н и с и м о в В. Г. Формирование структуры, микротвердости многослойных дуговых конденсатов на основе нитридов // ФиХОМ. 1992. № 2. С. 99-102.
3. V e p r e k S., V e p r e k - H e i j m a n M. Industrial applications of superhard nanocomposite coatings // Surf. And Coat. Technol. 2008. Vol. 202. P. 5063-5073.
4. Л е в а ш о в Е. А., Ш т а н с к и й Д. В. Многофункциональные наноструктурированные пленки // Успехи химии. 2007. № 76(5). С. 501-509.
5. В а с и л ь е в В., Л у ч а н и н о в А., Р е ш е т н я к Е., С т р е л ь н и ц к и й В. и др. Структура и твердость Ti-N и Ti-Si-N покрытий, осажденных из фильтрованной вакуумно-дуговой плазмы // Вопросы атомной науки и техники. 2009. № 2. С. 173-180.
6. H a n J e o n G., M y u n g H y u n S., L e e H y u k M., S h a g i n y a n L e o n i d R. Microstructure and mechanical properties of Ti-Ag-N and Ti-Cr-N superhard nanostructured coatings // Surf. and Coat. Technol. 2003. Vol. 174-175. C. 738-743.
7. М р о ч е к Ж. А., Э й з н е р Б. А., М а р к о в Г. В. Основы технологии формирования многокомпонентных вакуумных электродуговых покрытий. Мн.: Навука i тэхшка. 1991. 96 с.
8. К у н ч е н к о Ю. В., К у н ч е н к о В. В., Н е к л ю д о в И. М., К а р т м а з о в Г. Н., А н д р е е в А. А. Слоистые Ti-Cr-N покрытия, получаемые методом вакуумно-дугового осаждения // ВАНТ. Сер. Физ. рад. поврежд. и рад. материаловед. 2007. № 2 (90). С. 203-214.
9. H s u C. H., L e e C. C., H o W. Y. Filter effects on the wear and corrosion behaviors of arc deposited (Ti, Al)N coatings for application on coldwork tool steel // Thin Solid Films. 2008. Vol. 516. P. 4826-4828.
