CC BY
42
УДК 539.234
ВЛИЯНИЕ ФАЗОВОГО И ЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА ^ ^ N
1-х х
СИСТЕМЫ НА ЕЕ ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
© 2013 А.Л. Каменева Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Поступила в редакцию 21.03.2012
В данной статье получены зависимости, позволяющие прогнозировать трибологические свойства Т11 хА1^ систем по их фазовому и элементному составу, установлено улучшение износостойких и антифрикционных свойств Т^ хА1^ системы при увеличении в ней содержания алюминия и гексагональной фазы Ь-Т13А1^2
Ключевые слова: Т^ хА1^ система, ионно-плазменные методы, фазовый и элементный состав, износостойкие и антифрикционные свойства.
в процессе осаждения обеспечивали за счет изменения технологических параметров (ТехП) обработки подложки: величины и скорости увеличения высокого напряжения, подаваемого на подложку в процессе ее ионной очистки-нагрева (U и Унп - скорость нагрева подложки соответственно) и осаждения Ti AlN системы: давления газовой смеси (Р) и напряжения смещения (U), подаваемого на подложку (табл. 1); использования различных методов осаждения Ti1 xAlxN системы: магнетронного распыления (МР), электродугового испарения (ЭДИ), комбинированного метода (МР+ЭДИ). В качестве материала тестовых образцов с диаметром 20 мм и толщиной 4 мм использовали конструкционную теплостойкую 25Х3М3НБЦА и аустенитную сталь 12Х18Н10Т; для материала мишеней и катодов - титан марки ВТ-1-00 и алюминий марки А85.
Фазовый состав определяли по дифрактог-раммам, полученным с участков Ti1-xAlxN системы с использованием дифрактометра ДРОН-4 в Co К а излучении при напряжении 30 кВ и токе 20 мА. Угловой интервал съемки 2Q = 30-130°, шаг 0,1°, экспозиция в точке 4 с. Фазовые изменения в сформированных Ti1 xAlxN системах оценивали объемными долями вxодящиx фаз: гексагональные Ti3Al2N2, Ti2AlN (в дальнейшем VTi3Al2N2, оптимизации ее фазового и элементного состава. VTi2AlN, h-^Al^ и h-Ti2AlN) и/или кубическиx
Ti3AlN, AlN, TiN (в дальнейшем VTi3AlN, VAlN, VTiN, с-T^AlN, с-TiN, с-AlN), направлениями иx преимущественной кристаллографической ориентации. Элементный состав Ti1-xAlxN системы определяли с использованием растрового электронного микроскопа BS 300 с приставкой для микроанализа EDAX Genesis 200 и количественного микрорентгеноспектрального анализа - на микрорентгеновском анализаторе типа МАР-3 при ускоряющем напряжении 20кВ, токе зонда 20 нА и размере зонда 5мкм. Температуру повер-xности неподвижной подложки после ионной очистки, осаждения подслоя TiN и Ti1-xAlxN сис-
ВВЕДЕНИЕ
Работоспособность деталей узлов трения (деталей) с износостойкими пленками может быть увеличена равномерным прогревом с минимальным теплоотводом в приспособление на стадии подготовки детали за счет устранения последствий предшествующих операций и переходов технологического цикла ее изготовления [1, 2]; бомбардировкой поверхности на стадии осаждения пленки высокоэнергетичными ионами за счет уменьшения в ней внутренних напряжений [3, 4], обработкой отжигом на завершающей стадии процесса получения пленки за счет уменьшения в ней остаточных напряжений [5]. Значимость термических обработок для стабилизации структуры подложки и формируемых пленок в процессе и после их осаждения практически изучена [69], однако использование термических обработок для управления фазовым и элементным составом пленок будет рассмотрено в работе впервые.
Целью настоящей работы является изучение влияния термических обработок подложки и многокомпонентной пленки на основе Ть А1 N сис-
1-х х
темы (в дальнейшем Т^ хА1^ система) на ее фазовый и элементный состав, улучшение триболо-гических свойств Ть А1 N системы за счет
1-х х
2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Интервалы варьирования температурные параметров (ТемП) обработки подложки и осаждения Ti1-xAlxN системы: скорость нагрева подложки V =10...90 К/мин, начальная температура Ti1-xAlxN системы Т=605...870 К после осаждения подслоя TiN и скорость ее нагрева V^ =0,1...3,0 К/мин
Каменева Анна Львовна, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии, конструирования и автоматизации в специальном машиностроении. E-mail: [email protected]
темы определяли с использованием инфракрасного бесконтактного пирометра "Термикс".
Трибологические испытания систем
проводили по схеме "палец-диск" на машине трения (рис. 1); профилограммы поверхности Т^ хЛ1хЫ систем получали и обрабатывали с использованием высокоточного кругломера Ма^огт MMQ 400, оснащенного программой Маг8Ье11 MarWin. Условия проведения трибологических испытаний: материал пальца (контртела) - ВК8, радиус сферы контртела - R = 6,5 + 0,25 мм, осевая нагрузка на три пальца - F =175 Н, линейная скорость скольжения пальца - У=0,68 м/с, путь трения Lт = 1500 м, радиус кольца износа пленки - г = 7 мм, продолжительность испытания - 1=740 с, среда испытания - СОЖ, температура - Т=20 + 10С [10]. Антифрикционные: коэффициент (£) и момент трения (М^)1 и износостойкие свойства Ть Л1 N системы: массовый
1-х х
износ ( д т), объем лунки износа ( д Уп), приведенный износ по массе (I" ) и объему (); изнашивающую способность Т^-хА1^ системы по отношению к контртелу: скорость износа контртела (УК), приведенный износ контртела по объему (IV ) определяли по формулам:
Б • 1
д д
К • г К • г
М
£ _ 1 У±ТР
Дт=т. - т2, I" =Дm/(Fя•Lт),
Уп=ап/1, дуп = л^ Б • 8 [10];
IV = ДУп/(Fa•LT), IV = Д Ук/(Fa•LT), Д Ук= л *h2(R-1/3h), h=R-(R2-d2/4)1/2 [11, 12], где Fд - сила, действующая на тензометрический датчик, Н; 1д - расстояние от оси вращения держателя 5 до тензометрического датчика силы 8 (рис. 1), мм; т1 и т2 - вес образца с пленкой -Т^-хАШ системой до и после испытаний (погрешность взвешивания + 0,15 мг), мг; для пленки -Т^-хЛ1^ системы: D - диаметр и $ - средняя площадь сечения лунки износа; dп - диаметр пятна износа, мм; для контртела: д Ук - потеря объема, (мм3); Ь - высота изношенного сегмента (мм), d - диаметр пятна износа, мм.
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Фазовый и элементный состав 1т Al N
1-х х
системы в зависимости от температурных
и технологических параметров подготовки подложки и осаждения системы
В условиях кратковременной термической подготовки подложки (У =90 К/мин) и низко-
1 За момент и коэффициент трения принять средние
значения от полученных за 3 сек с момента прохождения
пальцами пути трения 10 м.
Рис. 1. Машина трения для трибологических испытаний по схеме "палец-диск": 1 - электродвигатель; 2 - ременная передача; 3 -рычажное устройство с разновесами; 4 - опора; 5 -держатель; 6 - контртело - палец; 7 - диск с образцом (тестовый образец с нанесенной на него Т^-хА1^ системой) и рычагом; 8 - тензометри-ческий датчик силы; 9 - шарик; 10 - стакан с СОЖ; 11 - стойка; 12 - подшипник
температурного процесса магнетронного распыления (Тс=605...630 К и Унс=0,1...0,4 К/мин) объемная доля основной фазы Ь-Т^АШ (Р63/ттс (194), а=0,29846 нм и с=2,335 нм)) Т^АШ системы в большей степени зависит от изменения давления газовой смеси и напряжения смещения на подложке (табл. 1). При оптимальном сочетании ТехП: Р=1,0 Па и Исм=80 В формируется двухфазная Т^-хА1^ система с основной Ь-Т^АШ и дополнительной с-TiN ^т3т (225), а=0,4244 нм)) фазами и х=0,36. В случае понижения напряжения смещения при многократном увеличении объемной доли с-TiN понижается, как объемная доля Ь-Т^АШ, так и содержание алюминия в Т^-хА1^ системе до х=0,25. Фазовый переход Ь-Т^Аш + с-™ ^ Ь-Т^АШ + с-™ + Ь-Т^А^ (пространственная группа Р31с (159), а=0,29875 нм и с=2,335 нм) является следствием отклонения давления газовой смеси относительно 1,0 Па. Увеличение содержания А1 в Т^-хА1^ системе с х=0,25 до х=0,32 при повышении давления объясняется большей объемной долей Ь-Т^АШ фазы и большей скоростью нагрева Т^А^ системы в процессе осаждения.
Фазовый и элементный состав Тг А1 N сис-
1-х х
тем, сформированных электродуговым испарением и комбинированным методом при более высокой степени ионизации парового потока, в первую очередь зависит от давления газовой смеси, ТемП подготовки подложки и осаждения Т^АГЫ систем (табл. 1). При минимальном давлении
Таблица 1. Фазовый и элементный состав Т^ хА1хК системы
ТехП ТемП Объемные доли фаз (V), % Элементный состав, ат.%
Тп, К V™, К/мин Т12АШ Т13АШ АШ ™ А1 Т1 N СА1/СП ТьАШ система
Магнетронное распыление общие ТехП: ивыс = 600 эВ, Унп.=90 К/мин, N2=35 %, N=2,0 кВт; исм=80 В; Р=1,0 Па; Ь=100 мм
Р, Па 0,8 605...620 0,33 18,7 54,0 - - 27,3 17,81 44,53 37,66 0,40
1,2 605...630 0,56 8,2 88,3 - - 3,5 19,78 41,35 33,70 0,48 Т1„,68А10^
Uсм, В 40 605.610 0,11 - 75,0 - - 25,0 12,61 47,82 39,57 0,26 Т^А!^
60 605.615 0,22 - 76,0 - - 24,0 14,63 46,90 38,47 0,31 Т^А!^
80 605.625 0,44 - 95,0 - - 5,0 25,40 44,90 29,70 0,57 Т10,64А10,36-^^
Электродуговое испарение общие ТехП: при Ивыс= 1000 эВ; = 25 К/мин; Исм=200 В; N2=100 %; 1д=75 А; Ь=310 мм; Р=1,0 Па
Р, Па 0,5 670.690 0,7 - 13,0 27,0 - 60,0 9,28 65,80 24,92 0,14 Т10,88 А10,12^Т
0,6 670.705 1,2 - 19,0 30,0 - 52,0 8,55 63,17 28,28 0,14 Т10,88 А10,12^Т
0,8 670.710 1,3 82,0 5,0 - - 15,0 25,85 44,02 30,13 0,59 Т10,62А10^
1,0 620.665 1,5 91,6 - - 8,4 - 26,54 43,01 30,45 0,62 Т^А!^
Ун.п., К/мин / 1, мин 45/ 10 670.715 1,5 76,2 22,0 - - 1,8 26,58 46,90 26,52 0,57 Т10,64А10,36-^^
25*/ 20 670.760 3,0 100 - - - - 33,14 40,88 25,98 0,81 Т^АЬ^
15/ 40 770.815 1,5 92,8 - - 2,5 4,7 28,02 42,60 29,38 0,66 Т10,60А10,40-^^
10/ 60 870.915 1,5 95,0 - - - 5,0 28,70 42,92 28,38 0,67 Т10,60А10,40-^^
Комбинированный метод: МР+ЭДИ общие ТехП: N=2,0 кВт; исм=90 В; N^50 %; 1д=75 А; Р=1,0 Па; материал катода - А1, мишени - Т1
Ун.п., К/мин / ивыс, эВ 45/ 600 615.690 2,5 90,2 6,7 - - 3,1 26,50 43,50 30,00 0,61 Т^А!^
47/ 700 630.705 2,5 90,5 3,3 - - 6,2 27,33 44,02 28,66 0,62 Т^А!^
*и = 280 В
Р=0,5...0,6 Па и низкой скорости нагрева системы V =0,7...1,2 К/мин даже после продолжительного нагрева подложки до Т=670 К формируется трехфазная Т11-хА1хК система, состоящая из кубических с-ТК с-Т13АШ (пространственная группа РшЭш (221), параметр кристаллической решетки: а=0,4112 нм) и гексагональной Ь-Т^АШ фаз с минимальным содержанием алюминия (х=0,12). При Р > 0,8 Па осаждается Т^АШ система, состоящая из основной Ь-Т13А12К2 и дополнительных фаз Ь-Т12АШ и с-Т1К, с х=0,36...0,40. Объемная доля Ь-Т13А12К2 фазы увеличивается при осаждении Т11-хА1хК системы на равномерно прогретую подложку с V =10...25 К/мин и Тс=670 К при Р=1,0 Па и Vнс = í,5 К/мин, а с повышением за счет увеличения Исм до 280 В скорости нагрева V до 3,0 К/мин объемная доля
фазы Ь-Т13А12К2 достигает 100 %, а содержание алюминия увеличивается до х=0,45. В случае непродолжительного нагрева подложки с Vнп=45 К/мин и повышения только Vнс до 2,5 К/мин при одновременной работе электродугового испарителя и магнетронного распылителя фазовый состав ТГ А1 N системы не изменяется.
1-х х
Элементный состав Т^ хА1хК системы, сформированной МР, ЭДИ и МР+ЭДИ изменяется в зависимости от технологических и температурных параметров подготовки подложки и осаждения системы в следующих интервалах: 8,55.33,14 ат.% А1; 40,88.65,80 ат.% Т1, 24,92.39,57 ат.% N (рис. 2). Стехиометрический состав соответствует Т11-хА1хК системам, сформированным при объемной доле основной тройной системы > 90 ат. %.
А|,ат.% «Т^ат.% »N,31:%
056 0% 0% 0% 1В,796 82 К 0% В2,0% 91,656 >1,2% /6,2% 90,5% Э2£% ЭЪД% 100К
TtЗAI2N2 ТЙАШ2 ТЙАГ2М2 Т13АВН2 ТЗА!2М ТЙЫ2Н2 ИЗД12Н2 ЪЗАПМ Тг1АП\2 ТЙАШ2 Т.1АЕ2М ПЗА12М2 ПЗА12Я2 ТЙАИШ ПЗА12Н2
19ДЯ Т:2АГМ Щ)56Т12ДМ 75,0« ТЕ2А1Н 71,0"т 54,05* Тг2А111 ВВ,МТ*2АШ 95,0* И2Д1М 5Д%ТОМН 0МТь2А1М &,7%Т12Д1М 22561|2АШ 3,35ЙТ12АШ 056ТЙДЮ (¡5бП2Д1Н 05&И2А1Н
30,0% ПЗДН 27,056 ЛЗАМ 05бГ[ЗДШ '1% [НЛП ОКТЙДНЧ ОЧПЗАН 0%ТЙА!М (14 ПЗАШ 056Т13А1Г\1 ОЭбГйАШ 05бТйМЧ 0%ГйА(М 0%ГйА{ГУ 0%ТЙА)ГЙ 056ТЙА1М
056Д1Н 0%АШ 0%А[И 056ДШ1 0561Ш 056Д№ 056А1М 0%Д1М В,456А№1 056Д!П1 0561Ш 0%ДШ 0%ДГИ 056А1М
52Л56Т^ 60,056 NN 25Л%Г1Ч 24Л%Ш 2/ЛА3^56 ПН 5Л56Ш 15,05бТ|Н 'XI NN 3.1% ПН 1856 |М 6Д56 NN 4,7%Г|П 05бИН
Рис. 2. Схематичные диаграммы зависимости элементного состава пленок на основе Т^ хА1^ системы от входящих в нее фаз
3.3. Трибологические свойства ^ 3А1з^ системы в зависимости от ее фазового и элементного состава
Рост объемных долей основных фаз Т^ хА1^ систем: Ь-Т^А^ (ЭДИ и ЭДИ+МР) и Ь-Т^АШ (МР) с одинаковым направлением преимущественной кристаллографической ориентации (103) оказывает неоднозначное влияние на их трибологические свойства. Уменьшение УтаАШ2 и одновременное увеличение УТЙАМ в Т11-хА1^ системе, сформированной МР, до 75 % приводит к ухудшению всех ее трибологических свойств. При УтаАМ > 75 % характеристики износа пленки и контртела резко уменьшаются. Фаза Ь-Т13А1^2 с объемной долей, не превышающей 80 %, практически не оказывает влияние на трибологичес-кие свойства Т11 хА1^ систем, сформированных ЭДИ и комбинированным методом, но дальнейшее повышение VT¡3A12N2 в системе резко их улучшает (рис. 3);
- повышение содержания А1 в Т11 хА1^ системах при формировании их МР способствует монотонному уменьшению, как износа пленки, так и контртела, в то время как при осаждении Т11-хА1^ систем электродуговым и комбинированным методом резкое улучшение трибологических свойств Т11-хА1^ системы наблюдается только при превышении содержания А1 36 ат.% и отношения концентраций алюминия и титана (СА1/ С) - 0,57. При постоянном содержании А1 в Т11
хАШ системе, но при повышении СА1/СТ_ и уменьшении содержания в ней N все трибологические свойства улучшаются. Данный факт по результатам химического анализа объясняется приближением состава Т11 хА1^ системы к стехиометри-ческому. Оптимальное содержание А1 в Т11 хА1^ системе - 45 ат. % не превышает критического 0,5...0,65 с точки зрения растворимости элементов в решетках нитридов;
- сравнение значений д т, , , , Vх, I и М показало, что Ть А1 N системы (ЭДИ и
тр 7 1-х х \
ЭДИ+МР) при примерно одинаковой концентрации в них алюминия по сравнению с ТЬ1 хА1^ (МР) обладают лучшими трибологическими свойствами.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основной фазой ТЬ1 хА1^ системы, сформированной в результате низкотемпературного процесса магнетронного распыления на кратковременно прогретой подложке, является гексагональная фаза Ь-Т12АШ, объемная доля которой может быть повышена за счет оптимизации напряжения смещения на подложке и давления газовой смеси. К образованию в системе дополнительной гексагональной фазы Ь-Т13А1^2 приводит отклонение давления газовой смеси относительно оптимального значения 1,0 Па.
Основной причиной формирования методом ЭДИ трехфазной ТЬ1 хАШ системы, состоящей из
Рис. 3. Зависимости трибологических свойств Т^ хА1хМ систем, полученных МР (а), (в), ЭДИ и ЭДИ+ МР (б), (г) от фазового (а), (б) и элементного (в), (г) состава
кубических с-Т1К, с-Т13АШ и гексагональной Ь-Т12АШ фаз, с минимальным содержанием алюминия х=0,12 является минимальное давление газовой смеси. Основной фазой Т^ хА1хМ системы, сформированной при оптимальном Р, является Ь-Т13А12М2, объемная доля которой может быть увеличения за счет уменьшения Унп до 10 К/мин, увеличения Тс до 670 К и Унс до 1,5 К/ мин. Содержание А1 в Т^ хА1хМ системе может быть повышено до х=0,38 за счет увеличения Унс в процессе ее осаждения до 2,5 К/мин при одновременной работе электродугового испарителя и магнетронного распылителя и до х=0,45 - при повышении Унс до 3,0 К/мин за счет роста Исм до 280 В. Стехиометрический состав соответствуют Т11 хА1хМ системам, сформированным при объемной доле основной тройной фазы не менее 90 %.
Улучшение трибологических свойств системы возможно при превышении объемных долей соответствующих гексагональных фаз 80 % и до-
стижении содержания алюминия в Т^ хА1хМ системе не ниже х=0,36. Т11 хА1хМ система с содержанием гексагональной фазы Ь-Т13А12М2 - 100 % и алюминия - х=0,45 обладает оптимальным комплексом износостойких и антифрикционных свойств, минимальной изнашивающей способностью по отношению к контртелу, Т^ хА1хМ система на основе Ь-Т12АШ уступает ей по свойствам.
Основными путями улучшения трибологи-ческих свойств Т^ хА1хМ системы при оптимальных ТехП является равномерный прогрев подложки и осаждение системы при оптимальной начальной температуре и скорости ее нагрева в процессе осаждения.
Оптимизация фазового и элементного состава за счет управления температурными условиями формирования позволила многократно улучшить трибологические свойства Т^ хА1хМ систем. Использование термических обработок подложки и пленки для управления фазовым и элемент-
ным составом пленок и в конечном итоге улучшения их трибологических свойств рассмотрено в работе впервые.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (договор № 13.G25.31.0093) в рамках реализации Постановления Правительства РФ № 218 "О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Табаков В.П. Формирование износостойких ионно-плазменных покрытий режущего инструмента. М.: Машиностроение, 2008. 311 с.
2. Ящерицын П.И. Технологическое наследование эксплуатационных параметров деталей машин / П.И. Ящерицын // Справочник. Инженерный журнал. 2004. № 9. С. 20-22.
3. Шулаев В.М., Андреев А.А. Сверхтвердые нанострук-турные покрытия в ННЦ ХФТИ // ФИП PSE, 2008. - Т. 6. - № 1-2. - С. 4-19.
4. Plasma-based ion implantation utilizing a cathodic arc plasma / M.M.M. Bilek, D.R. McKenzie, R.N. Tarant, S.H.M. Lim, D.G. McCulloch // Surface and Coatings Technology, 2003. Vol. 156. Рр. 136-142.
5. Theory of the effects of substitutions on the phase stabilities of TitxAlxN / H.W. Hugosson, H. Hoёgberg, M. Algren, M. Rodmar, T.I. Selinder // J. Appl. Phys.,
2003. Vol. 93. № 8. Pp. 4505-4511.
6. Pressure-induced rocksalt phase of aluminum nitride: a metastable structure at ambient condition / Q. Xia, H. Xia, A. Ruoff // J. Appl. Phys, 1993.Vol. 73. Pp. 81988200.
7. Self-organized nanostructures in the Ti-Al-N system / P.H. Mayrhofer, A. Haling, L. Karlsson, J. Sj^Lun, T. Larsson, C. Mitterer and L. Hultman // Appl. Phys. Lett., 2003. Vol. 83. Pp. 2049-2051.
8. Верещака А.С. Работоспособность режущего инструмента с износостойкими покрытиями. М.: Машиностроение, 1993. 356 с.
9. Богданович В.И. Управление эксплуатационными свойствами деталей с вакуумными ионно-плазмен-ными покрытиями при производстве летательных аппаратов: дисс. ... докт. техн. наук. Самара: Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика СП. Королева, 2002. 439 с.
10. Каменева А.Л., Караваев Д.М. Улучшение трибологических характеристик пленок на основе ZrN путем оптимизации технологических условий процесса магнетронного распыления // Сб. тр. 9-й Между-нар. науч.-практ. конф. Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения, Филиал СПГГИ (ТУ) "Воркутинский горный институт", 2011. С. 289-293.
11. Baptista A.P.M. Friction and wear of TiN coatings contribution of CETRIB /INEGI to the TWA 1- 1993 VAMAS round-robin // Wear, 1996. Vol. 192. Pp. 237-240.
12. Современные методы оценки механических и трибо-логических свойств функциональных поверхностей / М.И. Петржик, Д.В. Штанский, Е.А. Левашов // Матер. X Междунар. науч.-техн. конф. Высокие технологии в промышленности России, ОАО ЦНИТИ "Техномаш", 2004. С. 311-318.
EFFECT OF PHASE AND ELEMENTAL COMPOSITION Ti^A^N SYSTEM AT ITS PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES
© 2013 A.L. Kameneva
Perm National Research Polytechnic University
In this paper, the dependences allowing prediction of tribological properties of Ti1 xAlxN systems in their phase and elemental composition have been received, was established that improved wear and antifriction properties of Ti1 xAlxN system is due to increase of aluminum content in it, and the hexagonal phase h-Ti3Al2N2. Keywords: Ti1 xAlxN system, the ion-plasma methods, phase and elemental composition, wear and antifriction properties.
Anna Kameneva, Candidate of Technics, Associate Professor at the Technology, Engineering and Automation in Special Machine Construction Department. E-mail: [email protected]
