ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ ТЛЕЮЩИМ РАЗРЯДОМ НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ ТАНТАЛСОДЕРЖАЩИХ ПОКРЫТИЙ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.9.047:669:538.8 В. М. Шеменков

ВЛИЯНИЕ ОБРАБОТКИ ТЛЕЮЩИМ РАЗРЯДОМ

НА СТРУКТУРНО-ФАЗОВОЕ СОСТОЯНИЕ ТАНТАЛСОДЕРЖАЩИХ ПОКРЫТИЙ

UDC 621.9.047:669:538.8 V. M. Shemenkov

INFLUENCE OF GLOW DISCHARGE PROCESSING ON STRUCTURAL-PHASE STATE OF TANTALUM-CONTAINING COATINGS

Аннотация

Представлены результаты исследования структуры и фазового состава износостойких защитных покрытий типа TiN + Ta и чистого тантала, полученных методом магнетронного напыления на режущие пластины из твердого сплава Т15К6, как в исходном состоянии, так и подвергнувшейся обработке тлеющим разрядом.

Ключевые слова:

тлеющий разряд, структура, фазовый состав, износостойкое защитное покрытие, модифицирующая обработка, поверхностный слой, тантал.

Abstract

The paper presents the results of studying the structure and phase composition of wear-resistant protective coatings of the TiN + Ta type and pure tantalum, obtained by magnetron sputtering onto cutting inserts made of T15K6 hard alloy, both in the initial state and after being glow discharge-treated.

Keywords:

glow discharge, structure, phase composition, wear-resistant protective coating, modifying treatment, surface layer, tantalum.

Как известно, после главной режущей кромки передняя поверхность любого режущего инструмента работает в сложных трибомеханических, тепловых и трибохимических условиях, особенно при обработке пластичных материалов.

Образовавшаяся стружка сходит по передней поверхности режущего инструмента, где возникает сила трения, препятствующая свободному сходу стружки из зоны резания. Действие указанной силы приводит к возникновению вторичной пластической деформации обрабатываемого материала, перешедшего в стружку. При этом следует отме-

© Шеменков 13. М., 2021

тить, что чем больше сила трения стружки о переднюю поверхность, тем больше толщина «заторможенного» слоя и больше усилие резания. Вследствие чего в последнее время уделяется большое внимание разработке новых наукоемких способов, позволяющих создавать на рабочих поверхностях, особенно инструментальной оснастки, барьерные слои с повышенными эксплуатационными свойствами [1-3].

Несмотря на большое разнообразие способов получения различных защитных покрытий, в промышленности широкое распространение получил метод магнетронного напыления тугоплавких

металлов в среде реакционных газов.

Одним из наиболее интересных металлов, который можно использовать для получения защитных покрытий и пленок, является тантал. Как известно, за счет высоких температур плавления, твердости и коррозионной устойчивости танталсодержащие покрытия применяются в качестве диффузионного барьера при покрытии, например, лопаток турбин и стволов орудий, что существенно увеличивает их ресурс работы.

Таким образом, использование тантала в качестве мишени при магне-тронном напылении покрытий на режущие инструменты с последующей их обработкой тлеющим разрядом может привести к получению результатов, которые будут интересны для инструментального производства.

В рамках работы исследования проводились на образцах, полученных из листов тантала электродуговой плавки (чистотой 99,9) марки ТВЧ (ОСТ88.00.021.228-76), и защитных покрытиях на основе титана и тантала (TiN + Ta, Ta), нанесённых на многогранные режущие пластины из твердого сплава Т15К6 по ГОСТ 3882-74.

Методика исследования

В работе применялись электронно-микроскопический и рентгеноструктур-ный методы анализа фазового состава и структуры материалов.

Электронно-микроскопический анализ поверхности образцов проводился при помощи сканирующего электронного микроскопа Tescan VEGA 2SBA с при-

менением стандартного детектора вторичных электронов. Подготовка образцов для металлографических исследований осуществлялась по стандартной методике. В качестве реактива для травления использовался раствор «царская водка». Травление осуществлялось в течение 40...50 с при температуре раствора 343 К [4].

Рентгеноструктурный анализ осуществлялся на автоматизированном рентгеновском комплексе на базе дифрактометра ДРОН-3М с применением монохроматизированного Сока-излучения. В качестве кристалла-моно-хроматора использовали пластину пи-ролитического графита. Рентгеновская съемка выполнялась при напряжении и = 25 кВ, токе J = 12 мА в режиме сканирования (по точкам) с шагом 0,1 град. При рентгенофазовом анализе продолжительность набора импульсов в каждой точке составляла до 20 с, при этом съемка велась в интервале углов рассеяния 20 для образцов из тантала 40.125 град, а для многогранных режущих пластин с танталсодержащим покрытием - 30.110 град.

Физическое уширение дифракционных линий определялось методом аппроксимации с помощью программного обеспечения HighScore++ (Рапа1уйса1, Нидерланды). В качестве эталона использовался образец отожженной стали 10 ГОСТ 1050-88 [5, 6].

Обработка образцов проводилась по трем основным режимам, указанным в табл. 1. Время обработки по всем режимам составила 30 мин.

Табл. 1. Режимы обработки образцов в тлеющем разряде

Режим обработки Напряжение горения тлеющего разряда U, В Плотность тока J, мА/м2

№ 1 1000 0,125

№ 2 2000 0,250

№ 3 3000 0,375

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты металлографического анализа поверхности образцов из чистого тантала до обработки тлеющим разрядом (рис 1, а) показывают, что структура соответствует классической, полу-

ченной методом проката.

Модифицирующая обработка приводит к дисперсности и сглаживанию краев за счет распыления поверхности ионами плазмы тлеющего разряда (рис. 1, б-г). Наиболее ярко этот эффект наблюдается при обработке тлеющим разрядом по режиму № 3 (см. рис. 1, г).

—:

Рис. 1. Структура поверхности образцов из тантала: а - в состоянии поставки; б - после обработки в тлеющем разряде по режиму № 1; в - после обработки в тлеющем разряде по режиму № 2; г - после обработки в тлеющем разряде по режиму № 3

Анализ полученных рентгеновских дифрактограмм от поверхностных слоев образцов из тантала (рис. 2) в исходном состоянии показывает, что соотношение интенсивностей дифракци-

онных линий не соответствует эталону (Та (110) / Та (200) / Та (211) / Та (220) / Та (310) = 100 / 20 / 30 / 5 / 5), что свидетельствует о наличии текстуры, отличающейся от равновесной.

4000

3000

2000

1000

0

5000

4000

о 3000

= 2000

1000

Л 0

н

О

к 5000

г 4000

о = 3000

и 2000

г К 1000

0

5000

4000

3000

2000

1000

0

1

Исходный

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125

— Режим № !

I_I

X

-Л-

40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125

гГ Режим № 2

Рис. 2. Фрагменты рентгеновских дифрактограмм образцов из тантала в исходном состоянии и после обработки тлеющим разрядом с различными режимами

Отношение физических уширений дифракционных линий 110 и 200 (Р200/Р110) равно 2,483 (табл. 2), пропорционально отношению tg02oo/tg0llo, равному 2,194. Указанный факт свидетельствует о том, что уширение дифракционных линий обусловлено высоким со-

держанием в образце линейных дефектов. Параметр решетки несколько больше эталонного значения параметра решетки тантала (см. табл. 2), что указывает на наличие в нем сжимающих макронапряжений.

Табл. 2. Параметр решетки а, физическое уширение р дифракционных линий и размер фрагментов тантала

Образец (режим обработки) аТа, нм рпсъ 10-3 • рад р200, 10-3 • рад р311, 10-3 • рад Размер фрагментов, мкм

эксперимент (110) эталон [5]

Исходный 0,23404 0,2338 6,8569 17,0262 21,8029 0,1594

Режим № 1 0,23453 6,0900 13,5627 23,8722 0,1365

Режим № 2 0,23418 5,1838 12,8419 23,9329 0,1360

Режим № 3 0,23413 7,2967 17,6845 23,3524 0,1396

В результате обработки образца тлеющим разрядом по режиму № 1 регистрируется небольшое снижение величин физического уширения дифракционных линий 110 и 200. Отношение Р200/Р110 составляет 2,22, что также пропорционально отношению тангенсов соответствующих углов дифракции, и свидетельствует о том, что уширение дифракционных линий обусловлено как дисперсностью кристаллического строения материала, так и высоким содержанием в них линейных дефектов. Величина параметра решетки тантала возрастает, что свидетельствует о том, что обработка разрядом с указанными параметрами приводит к росту сжимающих макронапряжений.

В результате обработки образца тлеющим разрядом по режиму № 2 регистрируется дальнейшее снижение величин физического уширения дифракционных линий 110 и 200. Отношение физических уширений дифракционных линий 200 к 110 так же, как и у необработанного образца, пропорционально отношению тангенсов соответствующих углов дифракции. При этом пониженные значения величин Р200 и Р110 (см. табл. 2),

по сравнению с образцом в исходном состоянии, могут свидетельствовать о том, что в результате обработки тлеющим разрядом по режиму № 2 происходит уменьшение размеров фрагментов и снижение в них плотности дислокаций. Величина параметра решетки незначительно возрастает, что свидетельствует о том, что обработка разрядом с указанными параметрами приводит к незначительному росту растягивающих макронапряжений.

В результате обработки тлеющим разрядом по режиму № 3 регистрируется рост величины физического уширения дифракционных линий 110 и 200 тантала (см. табл. 2). Отношение физических уширений дифракционных линий 200 к 110 пропорционально отношению тангенсов соответствующих углов дифракции и свидетельствует о содержании в образце линейных дефектов. При этом рост величин Р200 и Р110, по сравнению с предыдущими образцами, может свидетельствовать о росте размеров фрагментов и снижении в них плотности дислокаций. Вместе с тем, некоторое снижение отношения Р200/Р110 по отношению к необработанному образцу может свиде-

тельствовать об увеличении степени корреляции в распределении дислокаций и формировании развитой системы дислокационных стенок. Величина параметра решетки при этом несколько возрастает, что может свидетельствовать о некотором снятии остаточных растягивающих макронапряжений.

В результате металлографического анализа поверхности многогранных не-

перетачиваемых пластин с покрытием в виде тантала до обработки тлеющим разрядом (рис. 3, а) выявлено, что структура покрытия соответствует классической, полученной методом магнетронно-го распыления, и характеризуется наличием мелкодисперсных частиц тантала. Покрытие является равномерным и полностью покрывает рабочую поверхность режущей пластины (рис. 3, б, в, табл. 3).

0 ..

■ щ _

Ш \ щ

1 Спектр 1

Га

W 1 / 1 ^

тя

oí;:

Полная шкала имп. Курсор: 0.С С О

i V Спектр 3

1 Та

ШШ wi 1 Гп Tn 1 1 W

^ Tal 1 JaJÍI i

0 1 ; 7 8 5 1С

Полная шкала 260 им п. Курсор: С.ООО КЗ Б

Рис. 3. Структура покрытия из тантала на режущей пластине из твердого сплава Т15К6 до обработки тлеющим разрядом (а), электронное изображение структуры покрытия (б) и рентгеновские спектры от участков образца (в)

Табл. 3. Результаты микрорентгеноспектрального анализа участков образца

Спектр (см. рис. 3) Элемент, % весовой

Ti Co Ta W

1 9,72 0,10 81,00 9,18

2 8,09 0,21 44,45 47,25

3 13,53 1,86 67,65 16,97

Модифицирующая обработка (рис. 4, табл. 4). приводит к дисперсности и некоторому Рентгеновская дифрактограмма по-

распылению покрытия из тантала крытия из тантала на твердосплавной

пластине Т15К6 (рис. 5) в исходном состоянии характеризуется тем, что помимо составляющих самого твердого

сплава ^С, ТЮ, Со) регистрируются рефлексы не только от Та, но и от фазы ТаС.

Рис. 4. Структура покрытия из тантала на режущей пластине из твердого сплава Т15К6 до обработки тлеющим разрядом (а), электронное изображение структуры покрытия (б) и рентгеновские спектры от участков образца (в)

Табл. 4. Результаты микрорентгеноспектрального анализа участков образца после обработки тлеющим разрядом

Спектр (см. рис. 4) Элемент, % весовой

Т1 Со Та W

1 9,72 0,10 81,00 9,18

2 8,09 0,21 44,45 47,25

3 13,53 1,86 67,65 16,97

Отношение физических уширений дифракционных линий 111 и 220 (Р220/Р111) равно 2,81 (табл. 5), находится в диапазоне между sec022o/sec0llo, равным 2,61, и tg022o/tg0lll, равным 3,61. Указанный факт свидетельствует о том, что уширение дифракционных линий обусловлено как дисперсностью крис-

таллического строения, так и высоким содержанием в нем линейных дефектов. Параметр решетки существенно больше эталонного значения параметра решетки тантала (см. табл. 5), что указывает на наличие в нем мощных сжимающих макронапряжений.

Рис. 5. Фрагменты рентгеновских дифрактограмм покрытия из тантала на твердом сплаве Т15К6 в исходном состоянии и после обработки тлеющим разрядом

Табл. 5. Параметр решетки а, физическое уширение Р дифракционных линий и размер фрагментов покрытия из тантала на режущей пластине из твердого сплава Т15К6

Образец (режим обработки) ата, нм Рш, 10-3 • рад P220, 10-3 • рад Размер фрагментов, мкм

эксперимент (111) эталон [5]

Исходный 0,24374 0,23380 8,3459 23,3960 0,2166

Режим № 2 0,24384 12,3881 26,2676 0,1457

В результате обработки покрытия из тантала тлеющим разрядом регистрируется увеличение величины физического уширения дифракционных линий 111 и 220 по сравнению с исходным состоянием. Отношение Р220/Р111 свидетельствует о том, что уширение дифракционных линий обусловлено дисперсностью кристаллического строения покрытий. Величина параметра решетки тантала существенно возрастает, что свидетельствует об увеличении уровня сжимающих напряжений. Также наблюдается значительное уменьшение разме-

ров фрагментов танталового покрытия.

Структура покрытия TiN + Та, так же как и в предыдущем случае, соответствует классической, полученной методом магнетронного распыления, и характеризуется наличием мелкодисперсных частиц нитрида титана и тантала, является равномерной и полностью покрывает рабочую поверхность режущей пластины (рис. 6, табл. 6).

Модифицирующая обработка приводит к дисперсности покрытия (рис. 7, табл. 7).

Рис. 6. Структура покрытия TiN + Та на режущей пластине из твердого сплава Т15К6 после обработки тлеющим разрядом по режиму № 2 (а), электронное изображение структуры покрытия (б) и рентгеновские спектры от участков образца (в)

Табл. 6. Результаты микрорентгеноспектрального анализа участков образца

Спектр (см. рис. 6) Элемент, % весовой

N ТС Та W

1 19,69 25,43 41,97 12,91

2 5,47 24,82 1,74 67,97

3 10,54 27,58 48,12 13,76

Табл. 7. Результаты микрорентгеноспектрального анализа участков образца

Спектр (см. рис. 7) Элемент, % весовой

N ТС Та W

1 8,41 21,66 50,11 19,81

2 8,19 31,07 55,66 5,08

3 8,09 19,71 47,18 25,02

Анализ рентгеновских дифракто-грамм образцов с покрытием TiN + Та (рис. 8) в исходном состоянии показывает, что покрытие имеет сложный фа-

зовый состав (табл. 8 и 9). Отношение физических уширений дифракционных линий 111 и 220 тантала (см. табл. 9) существенно больше, чем tg022o/tg0lll,

что свидетельствует о дисперсности кристаллического строения фрагментов тантала, а также о высоком содержании в них линейных дефектов. Параметры решетки тантала существенно отлича-

ются от эталонных значений, что указывает на нестехиометрический состав покрытия и наличие в нем сжимающих макронапряжений.

Спектр 1

Рис. 7. Структура покрытия ТЫ + Та на режущей пластине из твердого сплава Т15К6 после обработки тлеющим разрядом по режиму № 2 (а), электронное изображение структуры покрытия (б) и рентгеновские спектры от участков образца (в)

Табл. 8. Параметр решетки а, физическое уширение р дифракционных линий и размер фрагментов тантала (Та) покрытия Т + Та на режущей пластине из твердого сплава Т15К6

Образец (режим обработки) аТа, нм вта111, 10-3 • рад рТа220, 10-3 • рад Размер фрагментов Та, мкм

эксперимент (111) эталон [5]

Исходный 0,24422 0,23380 3,5135 32,4215 0,0822

Режим № 2 0,24368 3,0231 33,7057 0,0777

Табл. 9. Параметр решетки а, физической уширение р дифракционных линий и размер фрагментов нитрида титана (1ТЫ) покрытия Т + Та на режущей пластине из твердого сплава Т15К6

Образец (режим обработки) атк, нм 10-3 • рад Р™200, 10-3 • рад РтШ20, 10-3 • рад Размер фрагментов мкм

эксперимент (200) эталон [5]

Исходный 0,21269 0,21207 3,4449 10,3863 12,3723 0,1787

Режим № 2 0,21217 3,1688 9,7291 10,7465 0,1903

^ 0 ......................................................................

о 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

0 К .... I .... I .... I .... I .... I .... I .... I .... I .... I .... I .... I .... I .... I .... I

30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100

2В, град

Рис. 8. Фрагменты рентгеновских дифрактограмм покрытия TiN + Та на твердом сплаве Т15К6 в исходном состоянии и после обработки тлеющим разрядом

Отношение физических уширений дифракционных линий 111 и 220 нитрида титана (см. табл. 9) составляет 3,59 и пропорционально диапазону между sec022o/sec0llo, равным 2,55, и tg022o/tg0lll, равным 3,56, что свидетельствует о том, что уширение дифракционных линий обусловлено как дисперсностью кристаллического строения, так и высоким содержанием в нем линейных дефектов. Параметр решетки больше эталонного значения параметра решетки тантала (см. табл. 9), что указывает на наличие в нем сжимающих макронапряжений.

В результате обработки покрытия тлеющим разрядом регистрируется уменьшение величины физического уширения дифракционных линий 111 и 220 нитрида титана по сравнению с исходным состоянием. Отношение Р220/Р111 свидетельствует о том, что уширение дифракционных линий обусловлено дисперсностью кристаллического строения покрытий. Величина параметра решетки тантала уменьшается, что свидетельствует об уменьшении уровня сжимающих напряжений. Также наблюдается рост размеров фрагментов

нитрида титана.

Вместе с тем, обработка приводит к снижению величины физического уширения дифракционной линии 111 Та с одновременным ростом уширения линии 220. Отношение Р220/Р111 находится между величинами отношений секансов и тангенсов соответствующих углов дифракции. Данное изменение может свидетельствовать о том, что уширение дифракционных линий обусловлено как дисперсностью кристаллического строения тантала в покрытии, так и высоким содержанием в них линейных дефектов. Увеличенный параметр решетки указывает на рост уровня сжимающих напряжений в тантале.

Выводы

Обработка образцов из тантала в зависимости от технологических параметров обработки приводит к дисперсности кристаллического строения материала, росту параметров кристаллической решетки, что свидетельствует о том, что обработка разрядом с указанными параметрами приводит к росту сжимающих макронапряжений, умень-

шению размеров фрагментов и снижению в них плотности дислокаций.

Обработка покрытия TiN + Та на режущей пластине из твердого сплава Т15К6 тлеющим разрядом приводит к дисперсности кристаллического строения покрытий, уменьшению уровня сжимающих напряжений в TiN и увеличению их в Та, росту размеров фрагментов нитрида титана.

Обработка покрытия из тантала на режущей пластине из твердого сплава Т15К6 приводит к дисперсности кристаллического строения покрытий, увеличению уровня сжимающих напряжений и значительному уменьшению размеров фрагментов танталового покрытия.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОМ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Структурно-фазовое модифицирование инструментальных материалов тлеющим разрядом: монография / В. М. Шеменков [и др.]; под общ. ред. В. М. Шеменкова. - Могилев: Белорус.-Рос. ун-т, 2017. - 270 с.: ил.

2. Шеменков, В. М. Влияние обработки тлеющим разрядом на структуру, фазовый состав и твердость износостойких защитных покрытий на основе титана / В. М. Шеменков, М. А. Белая, А. Л. Шеменкова // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2017. - № 1. - С. 118-127.

3. Шеменков, В. М. Влияние тлеющего разряда на структурно-фазовое состояние двухслойных износостойких защитных покрытий на основе титана / В. М. Шеменков, О. В. Обидина // Фундам. проблемы совр. материаловедения. - 2019. - Т. 16, № 2. - С. 223-229.

4. Анисович, А. Г. Практика металлографического исследования материалов: монография / А. Г. Анисович, И. Н. Румянцева. - Минск: Беларус. навука, 2013. - 221 с.: ил.

5. Горелик, С. С. Рентгенографический и электронно-оптический анализ: учебное пособие для вузов / С. С. Горелик, Ю. А. Скаков, Л. Н. Расторгуев. - 4-е изд., перераб. и доп. - Москва: МИСИС, 2002. - 360 с.: ил.

6. Лысак, Л. И. Определение истинной ширины рентгеновских интерференционных линий с применением стандартного образца / Л. И. Лысак // Вопросы физики металлов и металловедения: сб. тр. - Киев, 1955. - № 6. - С. 40-53.

Владимир Михайлович Шеменков, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет. E-mail: [email protected].

Vladimir Mikhailovich Shemenkov, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University. E-mail: [email protected].

Статья сдана в редакцию 25 января 2021 года