Структура и механические свойства вакуумно-дуговых многослойных конденсатов нитридов титана и его сплавов

Изучены структура, элементный состав, микротвердость и модуль упругости многослойных вакуумно-дуговых конденсатов систем TiN/ZrN, TiN/Ti36AlN, TiN/Ti30CrN, полученных с высокими скоростями конденсации (0,3... 0,5мкм/мин) в результате уменьшения расстояния между катодами и подложками (125 вместо 250...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2014
Hauptverfasser:	Демчишин, А.В., Аветисян, В.А., Демчишин, А.А., Кулак, Л.Д., Грабин, В.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2014
Schriftenreihe:	Современная электрометаллургия
Schlagworte:	Вакуумно-дуговой переплав
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96874
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Структура и механические свойства вакуумно-дуговых многослойных конденсатов нитридов титана и его сплавов / А.В. Демчишин, В.А. Аветисян, А.А. Демчишин, Л.Д. Кулак, В.В. Грабин // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 2 (115). — С. 44-50. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-96874
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-968742016-03-22T03:02:15Z Структура и механические свойства вакуумно-дуговых многослойных конденсатов нитридов титана и его сплавов Демчишин, А.В. Аветисян, В.А. Демчишин, А.А. Кулак, Л.Д. Грабин, В.В. Вакуумно-дуговой переплав Изучены структура, элементный состав, микротвердость и модуль упругости многослойных вакуумно-дуговых конденсатов систем TiN/ZrN, TiN/Ti36AlN, TiN/Ti30CrN, полученных с высокими скоростями конденсации (0,3... 0,5мкм/мин) в результате уменьшения расстояния между катодами и подложками (125 вместо 250 мм), а также увеличения тока дугового разряда (до 130...140 А). Для сравнения исследовали аналогичные характеристики однослойных конденсатов TiN, ZrN, Ti36AlN и Ti30CrN, полученных в идентичных условиях. Толщина конденсатов составляла 10...15 мкм; материал подложек Е нержавеющая сталь 12Х17. Установлены зависимости исследуемых характеристик конденсатов от ускоряющего потенциала подложки (Uп = 50...180 В). Определены значения механических характеристик (твердость и модуль упругости нитридных одно- и многослойных конденсатов). На основании полученных данных вычислялось соотношение H³/E² для этих покрытий, характеризующее уровень сопротивления покрытия пластической деформации. Показано, что микротвердость и соотношение H³/E² многослойных нитридных конденсатов значительно выше, чем у однослойных. Микротвердость многослойных конденсатов увеличивается с уменьшением регулируемой толщины чередующихся субслоев. Studied are the structure, element composition, microhardness and modulus of elasticity of multilayer vacuum-arc condensates of TiN/ZrN, TiN/Ti36AlN, TiN/Ti30CrN systems produced at high rates of condensation (0.3...0.5 μm/min) as a result of decrease in distance between the cathodes and substrates (up to 130...140 A). For comparison, similar characteristics of single-layer condensates TiN, ZrN, Ti36AlN and Ti30CrN, produced under similar conditions, were investigated. Thickness of condensates was 10...15 μm; material of substrates was stainless steel 12Kh17. Dependencies of studied characteristics of condensates on accelerated potential of substrate (Us = 50...180 V) were found. Values of mechanical characteristics (hardness and modulus of elasticity of nitride single- and multilayer condensates) were determined. Basing on the obtained results, the ratio H³/E² was calculated for these coatings, characterizing the level of coating resistance against the plastic deformation. It is shown that the microhardness and ratio H³/E² of multilayer nitride condensates are much higher than that in single-layer ones. Microhardness of multilayer condensates is increased with decrease of adjustable thickness of alternating sublayers. 2014 Article Структура и механические свойства вакуумно-дуговых многослойных конденсатов нитридов титана и его сплавов / А.В. Демчишин, В.А. Аветисян, А.А. Демчишин, Л.Д. Кулак, В.В. Грабин // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 2 (115). — С. 44-50. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 0233-7681 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96874 669.187.2 ru Современная электрометаллургия Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Вакуумно-дуговой переплав Вакуумно-дуговой переплав
spellingShingle	Вакуумно-дуговой переплав Вакуумно-дуговой переплав Демчишин, А.В. Аветисян, В.А. Демчишин, А.А. Кулак, Л.Д. Грабин, В.В. Структура и механические свойства вакуумно-дуговых многослойных конденсатов нитридов титана и его сплавов Современная электрометаллургия
description	Изучены структура, элементный состав, микротвердость и модуль упругости многослойных вакуумно-дуговых конденсатов систем TiN/ZrN, TiN/Ti36AlN, TiN/Ti30CrN, полученных с высокими скоростями конденсации (0,3... 0,5мкм/мин) в результате уменьшения расстояния между катодами и подложками (125 вместо 250 мм), а также увеличения тока дугового разряда (до 130...140 А). Для сравнения исследовали аналогичные характеристики однослойных конденсатов TiN, ZrN, Ti36AlN и Ti30CrN, полученных в идентичных условиях. Толщина конденсатов составляла 10...15 мкм; материал подложек Е нержавеющая сталь 12Х17. Установлены зависимости исследуемых характеристик конденсатов от ускоряющего потенциала подложки (Uп = 50...180 В). Определены значения механических характеристик (твердость и модуль упругости нитридных одно- и многослойных конденсатов). На основании полученных данных вычислялось соотношение H³/E² для этих покрытий, характеризующее уровень сопротивления покрытия пластической деформации. Показано, что микротвердость и соотношение H³/E² многослойных нитридных конденсатов значительно выше, чем у однослойных. Микротвердость многослойных конденсатов увеличивается с уменьшением регулируемой толщины чередующихся субслоев.
format	Article
author	Демчишин, А.В. Аветисян, В.А. Демчишин, А.А. Кулак, Л.Д. Грабин, В.В.
author_facet	Демчишин, А.В. Аветисян, В.А. Демчишин, А.А. Кулак, Л.Д. Грабин, В.В.
author_sort	Демчишин, А.В.
title	Структура и механические свойства вакуумно-дуговых многослойных конденсатов нитридов титана и его сплавов
title_short	Структура и механические свойства вакуумно-дуговых многослойных конденсатов нитридов титана и его сплавов
title_full	Структура и механические свойства вакуумно-дуговых многослойных конденсатов нитридов титана и его сплавов
title_fullStr	Структура и механические свойства вакуумно-дуговых многослойных конденсатов нитридов титана и его сплавов
title_full_unstemmed	Структура и механические свойства вакуумно-дуговых многослойных конденсатов нитридов титана и его сплавов
title_sort	структура и механические свойства вакуумно-дуговых многослойных конденсатов нитридов титана и его сплавов
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2014
topic_facet	Вакуумно-дуговой переплав
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/96874
citation_txt	Структура и механические свойства вакуумно-дуговых многослойных конденсатов нитридов титана и его сплавов / А.В. Демчишин, В.А. Аветисян, А.А. Демчишин, Л.Д. Кулак, В.В. Грабин // Современная электрометаллургия. — 2014. — № 2 (115). — С. 44-50. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series	Современная электрометаллургия
work_keys_str_mv	AT demčišinav strukturaimehaničeskiesvojstvavakuumnodugovyhmnogoslojnyhkondensatovnitridovtitanaiegosplavov AT avetisânva strukturaimehaničeskiesvojstvavakuumnodugovyhmnogoslojnyhkondensatovnitridovtitanaiegosplavov AT demčišinaa strukturaimehaničeskiesvojstvavakuumnodugovyhmnogoslojnyhkondensatovnitridovtitanaiegosplavov AT kulakld strukturaimehaničeskiesvojstvavakuumnodugovyhmnogoslojnyhkondensatovnitridovtitanaiegosplavov AT grabinvv strukturaimehaničeskiesvojstvavakuumnodugovyhmnogoslojnyhkondensatovnitridovtitanaiegosplavov
first_indexed	2025-07-07T04:11:43Z
last_indexed	2025-07-07T04:11:43Z
_version_	1836959929457442816
fulltext	УДК 669.187.2 СТРУКТУРА И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ КОНДЕНСАТОВ НИТРИДОВ ТИТАНА И ЕГО СПЛАВОВ А. В. Демчишин1, В. А. Аветисян1, А. А. Демчишин2, Л. Д. Кулак1, В. В. Грабин3 1Институт материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины. 03142, г. Киев, ул. Крыжановского, 3. E-mail: demch@ipms.kiev.ua 2НТУУ «Киевский политехнический институт». 03056, г. Киев, пр. Победы, 37. E-mail: ademch@bk.ru 3Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины. 03680, г. Киев-150, ул. Боженко 11. E-mail: office@paton.kiev.ua Изучены структура, элементный состав, микротвердость и модуль упругости многослойных вакуумно-дуговых кон- денсатов систем TiN/ZrN, TiN/Ti36AlN, TiN/Ti30CrN, полученных с высокими скоростями конденсации (0,3... ...0,5 мкм/мин) в результате уменьшения расстояния между катодами и подложками (125 вместо 250 мм), а также увеличения тока дугового разряда (до 130...140 А). Для сравнения исследовали аналогичные характеристики одно- слойных конденсатов TiN, ZrN, Ti36AlN и Ti30CrN, полученных в идентичных условиях. Толщина конденсатов составляла 10...15 мкм; материал подложек – нержавеющая сталь 12Х17. Установлены зависимости исследуемых характеристик конденсатов от ускоряющего потенциала подложки (Uп = 50...180 В). Определены значения механических характеристик (твердость и модуль упругости нитридных одно- и многослойных конденсатов). На основании полученных данных вычислялось соотношение Н3/Е2 для этих покрытий, характеризующее уровень сопротивления покрытия пластической деформации. Показано, что микротвердость и соотношение Н3/Е2 многос- лойных нитридных конденсатов значительно выше, чем у однослойных. Микротвердость многослойных конденсатов увеличивается с уменьшением регулируемой толщины чередующихся субслоев. Библиогр. 11, табл. 2, ил. 7. Ключ е вы е с л о в а : вакуумно-дуговое испарение; многослойные нитридные конденсаты; высокая скорость осаждения; сканирующая электронная микроскопия; микротвердость; модуль упругости Одним из приоритетных направлений в развитии современного материаловедения является разработ- ка и исследование наноструктурных конденсиро- ванных материалов для их использования в качест- ве износо- и эрозионностойких покрытий различно- го назначения. Наибольшие перспективы для полу- чения наноструктурных покрытий фаз внедрения открывает ионно-плазменная технология с исполь- зованием катодного вакуумно-дугового испарения, поскольку она позволяет создавать высокоионизи- рованные плазменные потоки в вакууме и в различ- ных активных газовых средах, а также существенно влиять на реакции синтеза различных соединений и элементарные процессы роста металлических и керамических конденсатов на рабочих поверхнос- тях подложек. Внимание специалистов привлекают нитриды переходных металлов благодаря оптимальной ком- бинации их механических и физических свойств – довольно высокой твердости, тугоплавкости, срав- нительно низким коэффициентам теплопроводно- сти и трения, высокой термической и химической стабильности. Это, в частности, позволило исполь- зовать их в качестве износостойких покрытий для режущего и прессового инструмента, ответственных деталей машин, например компрессорных лопаток газотурбинных двигателей и поршневых колец дви- гателей внутреннего сгорания. Возможности улучшения физико-механических свойств покрытий, сформированных из однослой- ных простых нитридов, уже ограничены. Поэтому усилия многих исследователей направлены на изу- чение многокомпонентных и многослойных струк- тур, получаемых с помощью вакуумных ионно- плазменных технологий [1—4]. Введение легирую- щих элементов в исходные испаряемые материалы © А. В. ДЕМЧИШИН, В. А. АВЕТИСЯН, А. А. ДЕМЧИШИН, Л. Д. КУЛАК, В. В. ГРАБИН, 2014 44 переходных металлов и формирование многослой- ных композиций с регулируемой толщиной субсло- ев дает возможность уменьшать размер зерна и уве- личивать благодаря этому твердость получаемых покрытий. Приводимые в литературе многочисленные дан- ные о структуре и физико-механических свойствах конденсированных керамических слоев, получен- ных с помощью ионно-плазменных технологий, сильно различаются. Этот факт объясняется тем, что микроструктура, состав и свойства таких объек- тов зависят от целого ряда технологических пара- метров, включая давление реакционного газа в ра- бочей камере, состояние вакуумной среды, уровень тока катодного дугового разряда, расстояние между катодами и подложками, скорость осаждения плаз- менных потоков, материал и топографию поверхно- сти подложек, значение отрицательного потенциа- ла, подаваемого на подложки, способы получения расходуемых катодов. Целью данной работы является получение до- полнительной информации о структуре и механи- ческих свойствах легированных и многослойных конденсатов на основе нитрида титана, полученных путем вакуумно-дугового осаждения. Методики экспериментов исследований. Для полу- чения однослойных двойных TiN, ZrN и тройных TiAlN, TiCrN конденсатов, а также многослойных TiN/ZrN, TiN/TiAlN, TiN/TiCrN использовали модифицированную вакуумно-дуговую установку «Булат-3Т» (рис. 1). Вакуумная камера имеет сис- тему автоматического поддержания давления рабо- чего газа и снабжена двумя испарителями, распо- ложенными друг против друга. На механизме вра- щения подложек устанавливали подложкодержа- тель консольного типа, на котором одновременно крепили две подложки. Для реализации процесса получения многослой- ных конденсатов использовали режим непрерывно- го испарения выбранных металлических материа- лов из двух катодов торцевого типа в сочетании с чередующимся циклическим вращением подложко- держателя на 180°. Для обеспечения осаждения плазменных потоков на подложки с контролирован- ной длительностью их пребывания напротив испа- ряемых катодов в электрическую схему привода вращения добавлено реле времени, позволяющее обеспечивать длительность осаждения чередую- щихся слоев в течение 10, 20, 30, 40, 50 с и более. Это дало возможность получать многослойные керамические конденсаты с толщиной субслоев в пределах 10...1000 нм и общей толщиной до 20 мкм. Цилиндрические катоды торцевого типа диаметром 64 мм из чистых металлов титана, циркония и спла- вов Ti—30Zr, Ti—30Cr, Ti—36Al изготовляли с помо- щью электронно-лучевого (чистые металлы) и ва- куумно-дугового переплавов чистых исходных ме- таллов в аргоне (сплавы). В качестве материала подложек использовали листовую нержавеющую сталь марки 12Х17 в виде карточек размером 100,0×100,0×0,3 мм. Перед загрузкой подложек в вакуумную камеру их подвергали ультразвуковой очистке в ацетоне, а затем дополнительно обрабаты- вали в этиловом спирте. Перед осаждением конден- сатов на подложки в рабочей камере создавали ва- куум на уровне 5⋅10—3 Па. Затем на подложки пода- вали отрицательный потенциал 1 кВ, включали ис- парители и осуществляли очистку рабочих поверх- ностей подложек с применением бомбардировки ионами испаряемых катодных материалов в течение 5 мин. Формирование конденсатов нитридов титана и его сплавов с цирконием, хромом и алюминием осуществляли в азотной газовой среде при давлении 4...6⋅10—1 Па. Ток дуги в процессе осаждения сос- тавлял 90...140 А, а отрицательный потенциал сме- щения на подложках изменялся от —50 до —180 В. Расстояние между подложками и катодами состав- ляло 125 мм. Температура подложек достигала 350...400 °С. Время осаждения субслоев τ равнялось 10, 20 и 30 с, общая длительность получения кон- денсатов – 30...40 мин; общая толщина получен- ных покрытий – 15...20 мкм при скорости осажде- ния до 0,5 мкм/мин. Твердость покрытий измеряли на приборах Микрон—Гамма с пирамидой Беркови- ча при нагрузке 10, 20, 30 г и Fischer при нагрузке 10 г. Средние значения твердости определяли из 5...7 измерений для каждого конденсата. Фазовый состав и преобладающую ориентацию кристаллитов в осажденных слоях исследовали с помощью рент- геновского дифрактометра ДРОН-3 в фильтрован- ном Cu-Kα-излучении. Микроструктуру покрытий исследовали с использованием сканирующих элек- тронных микроскопов JEOL JSM-840 и ZEISS EVO 50XVP. Последний укомплектован анализатором рентгеновских спектров INCA 450. Результаты исследований и их обсуждение. Ти- пичная топография поверхности нитрида титана Рис. 1. Схема ионно-плазменной установки «Булат-3Т» для получения многослойных конденсатов: 1 – вакуумная камера; 2 – подложка; 3 – стабилизирующая катушка; 4 – катод тор- цевого типа; 5 – поджигатель дуги; 6 – источники питания дугового разряда; 7 – механизм вращения подложек; 8 – источники отрицательного потенциала, подаваемого на под- ложки 45 многослойных TiN/ZrN конденсатов, осажденных при разных напряжениях подложки и токах дуги, представлена на рис. 2, из которого следует, что повышение тока дугового разряда приводит к росту количества и размеров микрокапельной фазы в нитридных покрытиях. Вместе с тем более высокий электрический потенциал, прикладываемый к под- ложкам, способствует формированию повышенной плотности конденсатов. Спектрометрические иссле- дования зарядного состава плазмы вакуумной дуги с титановым, циркониевым, алюминиевым и хро- мовым катодами [1] свидетельствуют о наличии одно-, двух- и трехзарядных ионов металлов наряду с нейтральными металлическими атомами в плаз- менном потоке. Соотношение этих составляющих зависит от значения тока дугового разряда, давле- ния реакционного газа в рабочей камере и химичес- кого состава катодов. Увеличение ускоряющего по- тенциала подложек повышает энергию позитивных ионов, осаждаемых на поверхности подложек, их температуру и, таким образом, способствует увели- чению плотности получаемых покрытий. Исследование структуры изломов конденсатов однослойных нитридов свидетельствует о том, что в поперечном сечении конденсированные слои сос- тоят из столбчатых кристаллитов, расположенных по нормали к поверхности подложки, ширина ко- торых увеличивается с ростом потенциала подлож- ки. Например, ширина столбчатых кристаллитов TiN конденсата возрастает от 500 до 1000 нм при повышении напряжения смещения на подложке от —50 до —180 В. Данный результат объясняется уве- личением энергии ионов в плазменном потоке в за- висимости от повышения значения электрического потенциала, подаваемого на подложки, что вызы- вает повышение локальной температуры на повер- хности подложки. В этих условиях увеличивается поверхностная диффузия и становится доминирую- щим фактором при прочих одинаковых параметрах осаждения, обусловливает конечную структуру покрытия. Типичные структуры многослойных конденса- тов TiN/ZrN в поперечном сечении, полученные с применением сканирующей электронной микроско- пии (СЭМ), представлены на рис. 3. Напряжение смещения на подложках составляло —100 (рис. 3, а) и —180 В (рис. 3, б). Как видно из приве- денных микроструктур, конденсированные компо- зиции имеют слоистую структуру со средней тол- щиной субслоев 150...180 нм. Однако границы между слоями не имеют четких контуров, что свиде- тельствует о наличии взаимного растворения ком- понентов композиций на межслойных поверхностях раздела при их осаждении. Действительно, соглас- но данным работы [5], гранецентрированные куби- ческие нитриды переходных металлов IV—VI групп в большинстве случаев образуют непрерывные твер- дые растворы. Как видно из приведенных микроструктур, из- менение отрицательного напряжения смещения на Рис. 2. Топография поверхности нитрида титана многослойного TiN/ZrN конденсата при значениях напряжения на подложке —50 (а, б), —180 В (в, г), а также токе дуги 90 А (а, в) и 140 А (б, г) 46 подложке в диапазоне —100...180 В практически не влияет на характер структуры. Однако микротвер- дость конденсированного композита отображает влияние показателя электрического потенциала. Бo′льшие значения напряжения способствуют фор- мированию многослойных конденсатов тугоплав- ких соединений с меньшей твердостью. Например, микротвердость TiN/ZrN конденсатов, которые сформированы при напряжениях на подложке —180 и —100 В, составляет 42 и 45 ГПа, что связано с наличием большего количества дефектов в конден- сатах, полученных при более низких температурах осаждения. На рис. 4 показано распределение элементов покрытия TiN/ZrN по толщине конденсата. Как видно из приведенных данных, толщина че- редующихся субслоев при τ = 30 с составляет 150... ...180 нм, а кривые распределения химических эле- ментов имеют острые пики, что указывает на вза- имодействие между субслоями при данных услови- ях осаждения. Наличие железа в конденсате на глу- бине более 2 мкм со стороны стальной подложки свидетельствует о том, что выбранные в работе ре- жимы очистки, нагрева и значения отрицательного потенциала подложки обеспечивают надежное сцеп- ление покрытия с основой. Рентгеноструктурные исследования фазового состава покрытий показали, что многослойные кон- денсаты системы TiN/ZrN с толщиной субслоев 150...180 нм (τ = 30 с ) состоят из нитридов титана и циркония с кубической решеткой (рис. 5, в), кон- денсаты TiN и ZrN (рис. 5, а, б) имеют кубическую решетку и преобладающую (111) ориентацию. Пи- ковые характеристики рентгеновской дифракции для этих многослойных TiN/ZrN конденсатов ука- Рис. 3. СЭМ структуры конденсатов TiN/ZrN в поперечном сечении; потенциал подложки —100 (а); —180 В (б); τ = 30 с; ток дуги для титановых и циркониевых катодов 130 А Рис. 4. Распределение элементов по толщине TiN/ZrN покрытия; I – интенсивность; λ – толщина субслоя Рис.5. Рентгеновская дифракция образцов: а – TiN; б – ZrN; в – TiN/ZrN; τ = 30 с 47 зывают на наличие плотной нанокристаллической структуры в субслоях со средним размером кристал- литов 55...70 нм. Уменьшение толщины череду- ющихся субслоев до 50...60 нм (τ = 10 с) приводит к появлению слабого пика твердого раствора (TiZr)N, что свидетельствует о наличии большей доли межслойных переходных зон в объеме кон- денсата. Рентгеноспектральный анализ многослойных TiN/ZrN композиций показал, что, помимо титана, циркония и азота, в конденсатах содержится и до- статочное количество углерода (5 мас. %) (табл. 1), что объясняется влиянием газовой атмосферы мас- ляного вакуума в рабочей камере установки. Из приведенных данных следует также, что в покры- тии зафиксирован дефицит азота, который компен- сируется наличием углерода, что указывает на фор- мирование в конденсате, помимо TiN, Ti2N, ZrN, соединений и определенного количества фаз внед- рения TiCN и ZrCN. В работе [6] отмечено, что влияние атомов азота и углерода на твердость таких конденсатов примерно аддитивное. Типичные структуры многослойных конденса- тов TiN/TiAlN и TiN/TiCrN в поперечном сечении представлены на рис. 6. Напряжение смещения на подложках составляло —180 В. Как видно из приве- денных СЭМ микроструктур, конденсированные композиции имеют слоистую структуру со средней толщиной чередующихся субслоев 80...100 нм при τ = 30 с. Границы между слоями также не имеют четких контуров, как и в случае конденсатов TiN/ZrN, что свидетельствует о наличии взаимного растворения компонентов композиций на межслой- ных поверхностях раздела в процессе вакуумно-ду- гового осаждения. Дифрактограммы этих многослойных конденса- тов, сформированных при напряжениях смещения на подложках —50 и —100 В, показывают наличие дифракционных пиков (111) и (200), соотношение которых зависит от уровня электрического потен- циала, прикладываемого к подложке. Исследования распределения компонентов дан- ных конденсатов по толщине покрытия свидетель- ствуют о том, что химические элементы этих ком- позиций распределяются довольно равномерно по сечению конденсата, однако содержание легирую- щих добавок в них отличается от химического сос- тава материала катода. Например, массовая доля алюминия и хрома в покрытиях в 1,3...1,5 раза меньше, чем количество этих элементов в испаряе- мых катодах в зависимости от потенциала подлож- ки. Увеличение электрического смещения приводит к уменьшению содержания легирующих элементов в покрытии вследствие разной степени их иониза- ции при испарении катодных материалов. Значения механических характеристик, таких как твердость Н и модуль упругости Е нитридных одно- и многослойных конденсатов, определяли с помощью измерений микротвердости. Качествен- ной сравнительной характеристикой сопротивления материала деформированию является соотношение Н3/Е2 [7], которое также устанавливали для ис- следуемых конденсатов. Здесь Е – приведенный модуль Юнга, равный Е/(1 — ν2); Е – модуль Юнга; ν – коэффициент Пуассона. Из этого соот- ношения следует, что для увеличения сопротивле- ния пластической деформации нужно при высокой твердости стремиться к минимально возможному модулю упругости. Полученные результаты пред- ставлены в табл. 2. Напряжение смещения для конденсатов в дан- ном случае составляло —100 В, длительность осаж- Рис. 6. СЭМ структуры многослойных конденсатов TiN/TiAlN (а) и TiN/TiCrN (б) в поперечном сечении; потенциал подложки —180 В; τ = 30 с Т а б л и ц а 1 . Рентгеноспектральный анализ многослойно- го конденсата TiN/ZrN (эталон: C—SiC, N—BN, Ti—Ti, Zr—Zr, Fe—Fe) Элемент Условная концент- рация Интенсив- ность по- правочная Содержание элементов Мас. % Ат. % C 10,1 1,8628 5,09 14,51 5,0 N 18,0 0,8879 18,96 46,31 0 Ti 29,3 0,8793 31,25 22,32 9,0 Fe 0,39 0,9019 0,41 0,25 Zr 42,5 0,8973 44,30 16,62 2,0 — — — Итого 100,0 48 дения субслоев – 10 с. В этих условиях толщина формируемых субслоев в многослойных TiN/ZrN конденсатах равнялась 50...60 нм, а в легированных хромом и алюминием – 25...30 нм. Как видно из приведенных в табл. 2 данных, значения твердости и соотношения Н3/Е2 легиро- ванных однослойных конденсатов на основе нитри- да титана превышают аналогичные показатели од- нослойных нитридов двойных систем за счет обра- зования твердых растворов, дополнительных фаз и измельчения зерна. В свою очередь, значения твер- дости и соотношения Н3/Е2 многослойных конден- сатов значительно превышают таковые однослой- ных покрытий. Причина существенного повышения твердости наноструктурных многослойных композиций за- ключается в наличии большого количества поверх- ностей раздела между нанослоями, блокировании с их помощью движения линейных дефектов при де- формации таких конденсатов и образовании твер- дых растворов разнородных элементов на межслой- ных границах. Кроме того, это может быть результатом разли- чия модулей упругости чередующихся субслоев, об- разующих конденсированные композиции, а также наличием значительных сжимающих макронапря- жений в формируемых конденсатах. Дополнитель- ным фактором повышения твердости является при- сутствие в конденсатах углерода, поступающего из газовой атмосферы рабочей камеры, который спо- собствует образованию карбонитридов на основе ти- тана. Представленные данные показывают преиму- щество многослойных конденсатов над однослой- ными легированными и нелегированными. Повышение потенциала подложки до —180 В приводит к уменьшению твердости всех конденса- тов на 10...15 %, что связано с уменьшением коли- чества дефектов в конденсатах, полученных при бо- лее высоких температурах осаждения, снижением количества легирующих элементов в титане. Так, например, вакуумно-дуговое испарение Ti—36 % Al катода в азоте с последующим осаждением его плаз- менного потока на подложки из нержавеющей стали с потенциалами смещения —100 и —180 В приводит к уменьшению содержания алюминия в конденсате соответственно до 28 и 23 %. Аналогичная картина зафиксирована в случае вакуумно-дугового испа- рения Ti—30 % Cr катода. В этом случае конденсат, полученный при напряжении смещения —100 В, со- держал 23 % хрома. Снижение количества алюми- ния и хрома в покрытии при вакуумно-дуговом осаждении отмечено в работах [8, 9]. Согласно работе [7] зависимость Н3/Е2 = f(H) характеризует связь между механическими свойст- вами осажденных слоев. Аналогичная зависимость, построенная на основе наших экспериментальных данных, представлена на рис. 7. Данная зависи- мость хорошо изображается параболической кри- вой, проведенной через экспериментальные точки. В работе [10] отмечено, что соотношение Н3/Е2 может быть использовано для оценки ударной вяз- кости наноструктурных керамических покрытий. Следует отметить, что вакуумно-дуговые нит- ридные покрытия, полученные с высокими скорос- тями конденсации, являются довольно неравновес- ными. Поэтому в результате релаксационных про- цессов их твердость со временем снижается. Прове- денные измерения микротвердости многослойных нитридных конденсатов после хранения при ком- натной температуре в течение 10 мес показали, что их твердость уменьшилась на 30...40 %. Наличие релаксационных эффектов в нитридных покрытиях отмечено также в работах [6, 11]. Полученные в данной работе результаты свиде- тельствуют о влиянии многих технологических па- раметров на структуру, фазовый состав и механи- ческие свойства нитридных конденсатов, для чего требуется постоянный контроль условий формиро- вания таких композиций с целью обеспечения вос- производимости их характеристик. Выводы 1. Изучена структура вакуумно-дуговых одно- и многослойных конденсатов нитридов на основе ти- тана и его сплавов с алюминием и хромом, полу- ченных с высокими скоростями осаждения (0,3... ...0,5 мкм/мин), в зависимости от значения уско- Рис. 7. Взаимосвязь соотношения Н 3 /Е 2 и Н для одно- и мно- гослойных конденсатов нитридов на основе титана и его сплавов, полученных вакуумно-дуговым способом на подложках из не- ржавеющей стали Т а б л и ц а 2 . Механические характеристики нитридных конденсатов, сформированных при напряжении смещения на подложках —100 В и длительности осаждения субслоев 10 с (общее время конденсации плазменных потоков 30 мин) Тип конденсата Н, ГПа Е, ГПа Н3/Е 2 TiN 23 350 0,076 ZrN 21 295 0,082 Ti36AlN 28 270 0,232 Ti30CrN 25 290 0,143 TiN/ZrN 45 320 0,685 TiN/Ti36AlN 42 365 0,428 TiN/Ti30CrN 40 340 0,426 49 ряющего потенциала подложки (—50...—180 В). Многослойные конденсаты имеют слоистую струк- туру со средней толщиной чередующихся субслоев от 150...180 нм до 50...60 нм для системы TiN/ZrN и от 80...100 нм до 25...35 нм для систем TiN/TiAlN и TiN/TiCrN. 2. Определено, что многослойные конденсаты системы TiN/ZrN имеют преобладающую ориента- цию кристаллитов (111), как и в случае однослой- ных конденсатов TiN и ZrN, тогда как композиции TiN/TiAlN и TiN/TiCrN показывают наличие тек- стур (111) и (200), соотношение которых зависит от уровня электрического потенциала подложки. 3. Установлено, что содержание алюминия и хрома в конденсатах TiN/TiAlN и TiN/TiCrN зави- сит от потенциала подложки. Увеличение его ведет к уменьшению содержания легирующих элементов в покрытии. 4. Определены твердость, модуль упругости и соотношение Н3/Е2 для всех исследованных нит- ридов. Установлено, что значения твердости и со- отношения Н3/Е2 легированных однослойных конденсатов на основе нитрида титана превышают аналогичные показатели однослойных нитридов двойных систем. В свою очередь, твердость и соот- ношение Н3/Е2 многослойных конденсатов значи- тельно превышают таковые однослойных нитрид- ных покрытий. 1. Вакуумно-дуговые устройства и покрытия / А. А. Андре- ев, Л. П. Саблев, В. М. Шулаев, С. Н. Григорьев. – Харьков: ННЦ «Харьковский физико-технический инсти- тут», 2005. – 236 с. 2. Ducros C., Benevent V., Sanchette F. Deposition, charac- terization and machining performance of multilayer PVD co- atings on cemented carbide cutting tools // J. surface and coatings technology. – 2003. – 163, 164. – P. 681—688. 3. Решетняк Е. Н., Стрельницкий В. Е. Синтез нанострук- турных пленок: достижения и перспективы // Сб. докл. 2-го Междунар. науч.-техн. симп. «Наноструктурные функциональные покрытия и материалы для промышлен- ности». Том 1: «Наноструктурные материалы». – Харь- ков, 2007. – С. 6—15. 4. Нанокристаллические вакуумно-дуговые многослойные покрытия на основе нитридов титана и хрома / В. М. Шулаев, А. А. Андреев, И. М. Неклюдов и др. // Оборудование и технологии термической обработки метал- лов и сплавов. Том II. – Харьков, 2008. – С. 6—9. 5. Холлек Х. Двойные и тройные карбидные и нитридные системы переходных металлов: Справочник: – М.: Ме- таллургия, 1988. – 319 с. 6. Андриевский Р. А. Синтез и свойства пленок фаз внедре- ния // Успехи химии. – 1997. – Т. 66. – С. 57—76. 7. Relationships between hardness, Youngs modulus and elas- tic recovery in hard nanocomposite coatings / J. Musil, F. Kunc, H. Zeman, H. Polakova // J. surface and coa- tings technology. – 2002. – 154. – P. 304—315. 8. Deposition of high (TiAl)N hard coatings by vacuum arc evaporation process / Da-Yung Wang, Yen-Way Li, Chi- Long Chang, Wei-Yu Ho // Ibid. – 1999. – 114. – P. 109—113. 9. Vetter J., Scholl H.J., Knotek O. (TiCr)N coatings deposi- ted by cathodic vacuum arc evaporation // Ibid. – 1995. – 74, 75. – P. 286—291. 10. Musil J., Jirout M. Toughness of hard nanostructured cera- mic thin films // Ibid. – 2007. – 201. – P. 5148—5152. 11. Вакуумно-дуговое осаждение наноструктурных TiN-по- крытий из прямого плазменного потока с ионной имплан- тацией / В. М. Шулаев, А. А. Андреев, И. М. Неклюдов и др. // Оборудование и технологии термической обра- ботки металлов и сплавов. Том II. – Харьков, 2008. – C. 11—15. Studied are the structure, element composition, microhardness and modulus of elasticity of multilayer vacuum-arc condensates of TiN/ZrN, TiN/Ti36AlN, TiN/Ti30CrN systems produced at high rates of condensation (0.3...0.5 μm/min) as a result of decrease in distance between the cathodes and substrates (up to 130...140 A). For comparison, similar characteristics of single-layer condensates TiN, ZrN, Ti36AlN and Ti30CrN, produced under similar conditions, were investigated. Thickness of condensates was 10...15 μm; material of substrates was stainless steel 12Kh17. Dependencies of studied characteristics of condensates on accelerated potential of substrate (Us = 50...180 V) were found. Values of mechanical characteristics (hardness and modulus of elasticity of nitride single- and multilayer con- densates) were determined. Basing on the obtained results, the ratio H3/E2 was calculated for these coatings, charac- terizing the level of coating resistance against the plastic deformation. It is shown that the microhardness and ratio H3/E*2 of multilayer nitride condensates are much higher than that in single-layer ones. Microhardness of multilayer condensates is increased with decrease of adjustable thickness of alternating sublayers. Ref. 11, Tables 2, Figures 7. K e y w o r d s : vacuum-arc evaporation; multilayer nitride condensates; high rate of deposition; scanning electron microscopy; microhardness; modulus of elasticity Поступила 14.03.2014 50

Структура и механические свойства вакуумно-дуговых многослойных конденсатов нитридов титана и его сплавов

Institution

Ähnliche Einträge