CC BY
8ВЕСТН. САМАР. ГОС. ТЕХН. УН-ТА. СЕР. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2013. № 4 (40)
Материаловедение
УДК 620.178.1
ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ, НАНЕСЕННЫ1ХС ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ СВС-ПРЕССОВАННЫ1Х КАТОДОВ НА ОСНОВЕ СИСТЕМЫ TI-B-SI
С.И. Алтухов1, А.Н. Асмолов2, В.И. Богданович2, A.A. Ермошкин1, Е.И. Латухин1
1 Самарский государственный технический университет 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244
2 Самарский государственный аэрокосмический университет им. академика С.П. Королёва 443086, Самара, Московское ш., 34
E-mail: Altuhov_serg@mail.ru
Представлены результаты исследований свойств ионно-плазменных покрытий, полученных с использованием многокомпонентных катодов состава 40%TiB+40%TisSi3+20%Ti и 30%TiB+50%TisSi3+20%Ti на установках «Юнион» и ННВ-6.6, в сравнении с базовым покрытием TiN. Показано, что по совокупности свойств покрытия, полученные с использованием многокомпонентных катодов на установке ННВ-6.6, превосходят аналогичные покрытия, полученные на установке «Юнион».
Ключевые слова: многокомпонентные катоды, трибологические свойства, покрытия.
Одним из основных направлений улучшения свойств тонкопленочных материалов является формирование многокомпонентных упрочняющих покрытий вакуумно-дуговым распылением в среде азота катодов из композиций на основе титана, легированного кремнием, бором, хромом и другими элементами [1]. Многокомпонентные покрытия могут быть получены двумя способами: одновременным испарением раздельных однокомпонентных катодов, что осложняется трудоемким подбором технологических режимов испарения каждого из катодов, или одного многокомпонентного катода, что позволяет повысить надежность его работы и однородность генерируемой плазмы. Перспективным методом получения многокомпонентных ка-
Сергей Игоревич Алтухов, аспирант кафедры «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы».
Антон Николаевич Асмолов, инженер кафедры «Производство летательных аппаратов иуправления качеством в машиностроении».
Валерий Иосифович Богданович (д.т.н.), профессор кафедры «Производство летательных аппаратов иуправления качеством в машиностроении».
Андрей Александрович Ермошкин (к.т.н.), старший преподаватель кафедры «Металловедение, порошковая металлургия, наноматериалы».
Евгений Иванович Латухин (к.т.н.), доцент «Металловедение, порошковаяметаллургия, наноматериалы». 72
тодов является метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [2].
В этой связи представляет интерес изучение состава, структуры и свойств покрытий, получаемых на вакуумно-дуговых установках «Юнион» и ННВ-6.6 с использованием многокомпонентных СВС-прессованных катодов системы ТьВ^.
Покрытия на плоских цилиндрических образцах диаметром 15 мм и высотой 5 мм из быстрорежущей стали Р6М5, термообработанной на твердость HRС 64...65 Р6М5, получали с использованием вакуумно-дуговых установок «Юнион» и ННВ-6.6. Плоскую поверхность образцов подвергали шлифованию и полированию до Яа = 2 мкм. Образцы располагали плоской поверхностью фронтально относительно плазменного потока.
Процесс осуществлялся в следующих режимах. Для установки «Юнион»: катодный ток - 125...130 А, температура подложки - 150.200 °С, давление реакционного газа - азота 0,2.0,27 Па. Для установки ННВ-6.6: катодный ток - 80 А, температура подложки - 250.300 °С, давление реакционного газа - азота 0,25.0,27 Па.
Ионно-плазменный поток формировался при использовании многокомпонентных СВС-прессованных катодов состава 40%TiB+40%Ti5Siз+20%Ti и 30%TiB+50%Ti5Siз+20%Ti при электродуговом испарении.
Следует отметить, что реализация ионной очистки ионами металлической плазмы вследствие сильного разогрева катода на вакуумно-дуговой установке «Юнион» оказалась практически невозможной даже при увеличении тока дуги испарителя до критических значений, а в связи с конструктивными особенностями данной установки использование дополнительного испарителя не представлялось возможным. В результате для очистки образцов из стали Р6М5 использовали вакуумную очистку и активацию поверхности потоком ускоренной низкотемпературной газовой плазмы. При получении покрытий на установке ННВ-6.6 ионная очистка осуществлялась ионами металлической плазмы используемого катода.
Металлографический анализ, а также исследование характера распределения частиц капельной фазы на поверхности полученных покрытий осуществлялись на растровом электронном микроскопе JEOL JSM-6390А. Результаты исследований приведены на рисунке.
Количественные характеристики капельной фазы на поверхности покрытий определялись на участке размером 8x8 мкм. Согласно полученным результатам капельная фаза для всех типов покрытий имеет примерно одинаковые средние размеры. Вместе с тем количество капельной фазы на поверхности покрытий, полученных из многокомпонентных СВС-прессованных катодов, в 2-3 раза меньше, чем на покрытии ТС^ что положительно влияет на качество покрытий.
Измерение нанотвердости покрытий Н и модуля упругости Е проводилось при помощи наноиндентора Aglient G200. Твердость и модуль упругости определяли по методике Оливера - Фарра с использованием пирамиды Берковича. Результаты измерений приведены в табл. 1 .
Результаты исследований показывают, что значения нанотвердости покрытий, полученных с использованием СВС-прессованных катодов на установке «Юнион», ниже, чем покрытий, полученных на установке ННВ-6.6, и покрытия Модуль упругости покрытий, полученных с использованием СВС-прессованных катодов, в 1,7-2,5 раза меньше по сравнению с его величиной для покрытия TiN при соизмеримых значениях твердости и имеют, таким образом, преимущество по параметру Н/Е, который служит сравнительной характеристикой сопротивления деформации.
о
, У ■
ЗОкУ Х1.000 Юрт
о '
ЭатЗТи
I - Р .
Морфология поверхностей покрытий ^ЭДЮнион) (а) и покрытий, полученных с использованием катодов 30%™+50%Т^3+20%Т (Юнион) (б); 40%ТСВ+40%Тьф3+20%Т (Юнион) (в); 30%™+50%Т^3+20%Т (ННВ-6.6) (г); 40%™+40%Т^3+20%Т (ННВ-6.6) (д)
Таблица 1
Механические свойства покрытий
Состав катода (тип установки) Твердость н, ГПа Модуль упругости Е, ГПа Н/Е
Т (покрытие ^ЭД (Юнион) 28 т 30 540 т 570 0,052 т 0,053
30%ТСВ+50%Тьф3+20%Т (Юнион) 11 т 13 170 т 220 0,059 т 0,063
30%ТСВ+50%Тьф3+20%Т (ННВ-6.6) 28 т 31 300 т 320 0,093 т 0,096
40%ТСВ+40%Тьф3+20%Т (Юнион) 9,5 т 10 180 т210 0,048 т 0,053
40%ТСВ+40%Тьф3+20%Т (ННВ-6.6) 29 т 33 320 т 340 0,09 т 0,097
Выполнены сравнительные исследования трибологических свойств покрытий, полученных из СВС-прессованных катодов, и покрытия Изучение характеристик трения и износа осуществлялось на машине трения по схеме «шарик - диск» при нагрузке 15 Н.
Экспериментально определяли коэффициент трения £р, а также время работы покрытия до образования первых очагов износа 1рп. Коэффициент трения £р опреде-
лялся как отношение силы трения к величине нормальной нагрузки на контртело. Контртело представляло собой твердосплавный зубок с диаметром сферы 10 мм из твердого сплава марки ВК16 твердостью HRA 86. Процесс изнашивания проводили на воздухе в условиях сухого скольжения со скоростью 580 об/мин относительно вращающегося образца при нагрузке 15 Н, приложенной по нормали к поверхности покрытия. Обработка экспериментальных данных осуществлялась при помощи компьютера с использованием программы Power Graph 3.0, определялось время работы покрытия до появления первых очагов износа.
Результаты обработки экспериментальных данных и искомые трибологические свойства покрытий приведены в табл. 2.
Таблица 2
Трибологические свойства покрытий
Состав катода (тип установки) Утр ¿рп, ^
ВТ 1-00 (Юнион) 0,2-0,23 260
30%ТСВ+50%Тьф3+20%Т (Юнион) №1 0,28-0,37 55
30%ТСВ+50%Тьф3+20%Т (Юнион) №2 0,28-0,37 30
30%ТСВ+50%Тьф3+20%т (ННВ-6.6) №1 0,16-0,33 350
30%™+50%Т^3+20%^ (ННВ-6.6) №2 0,16-0,33 146
40%ТСВ+40%Тьф3+20%т (Юнион) №1 0,17-0,37 320
40%ТСВ+40%Тьф3+20%т (Юнион) №2 0,17-0,37 30
40%™+40%Т^3+20%^ (ННВ-6.6) №1 0,16-0,33 300
40%™+40%Т^3+20%^ (ННВ-6.6) №2 0,16-0,33 210
Следует отметить, что образцы с покрытиями, полученными из многокомпонентных катодов на установке «Юнион», характеризуются практически полным отсутствием покрытия на дорожке трения, что позволяет говорить о низких значениях адгезии. Вероятно, это связано с использованием активации поверхности потоком ускоренной низкотемпературной газовой плазмы. В случае с покрытиями, полученными на установке ННВ-6.6, покрытие на дорожке трения отсутствовало лишь частично, что позволяет сделать вывод о более высоких значениях адгезии для данных покрытий.
Таким образом, сравнение приведенных результатов показывает, что наибольшее время работы образцов с покрытиями зарегистрировано для покрытия, полученного из СВС-катодов состава 30%TiB+50%Ti5Si3+20%Ti на установке ННВ-6.6. Данное покрытие характеризуется наилучшим сочетанием механических свойств. В целом многокомпонентные покрытия, полученные на установке ННВ-6.6, обладают лучшим сочетанием механических свойств, чем традиционное покрытие TiN и многокомпонентные покрытия, полученные на установке «Юнион», что связано с более стабильной работой испарителя при нанесении покрытий.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Нанокомпозитные и наноструктурные сверхтвердые покрытия системы Ti-Si-B-N / А.Д. Коротаев, Д.П. Борисов, В.Ю. Мешков, С.В. Овчинников и др. // Известия вузов. Физика. - 2007. - Т. 50. -№ 10. - С. 13-23.
2. Многофункциональные наноструктурированные пленки / Е.А. Левашов, Д. В. Штанский // Успехи химии. - 2007. - Т. 76. - № 5. - С. 501-509.
Статья поступила вредакцию 1 ноября 2013 г.
SYNTHESIS AND RESEARCH OF PVD-COATINGS OBTAINED USING MULTICOMPONENT SHS-PRESSED CATHODE BASED SYSTEM TI-B-SI
S.I. Altukhov1, A.N .Asmolov2, V.I. Bogdanovich2, A.A. Ermoshkin1, E.I. Latukhin1
1 Samara State Technical University
244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100
2 Samara State Aerospace University
34, Moskovskoye Shosse, Samara, 443123
The results of studies of the properties of PVD-coatings obtained using multicomponent cathodes of 40% TiB +40% Ti5Si3 +20% Ti and 30% TiB +50% Ti5Si3 +20% Ti on the "Union" and "HHB-6.6" in compared with the base coating TiN. It is shown that the combined properties of the coatings obtained using multicomponent cathodes on the "HHB-6.6" outperform similar coatings obtained at the "Union".
Keywords: multi-cathodes, tribological properties, coatings.
Sergey I. Altukhov, Postgraduate Student.
Anton N. Asmolov, Engeneer.
Valery I. Bogdanovich (Dr. Sci. (Techn.)), Professor.
Andrey A. Ermoshkin (Ph.D. (Techn.)), Senior Lecture.
Evgeny I. Latukhin (Ph.D. (Techn.)), Associate Professor.
