Влияние хрома и кремния на свойства покрытий

УДК 669.534.537.539

Ескермесова А.С. (18-МФЗ-2п), Ескермесов Д.К. (ВКГТУ, Старший преподаватель)

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ Cr И Si В РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ ОСАЖДЕНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОКРЫТИЙ

(Zr-Ti-Nb)N

Для обеспечения сложных высокоэффективных свойств очень перспективным может быть использование многокомпонентные покрытия на основе карбидов, боридов, нитридов и силицидов переходных металлов [1]. Стабильность структуры и состава, а также высокоэффективные многоэлементные нитридные системы обеспечивают улучшение физико-механических характеристик поверхности, а использование их в качестве защитной пленки препятствует проникновению вредных примесей в поверхностные слои изделий [2]. В настоящее время наиболее широко используются методы ионно-плазменного осаждения покрытий, в частности, вакуумно-дугового и магнетронного распыления [3].

Данная работа описывает первоначальную попытку проанализировать сложную взаимосвязь между осаждением и механическими свойствами многокомпонентных покрытий. Для этого были выбраны пять сильных нитридообразующих элементов Ti, Cr, Zr, Nb и Si для приготовления защитных нитридных покрытий (Zr-Ti-Nb)N, (Zr-Ti-Nb-Cr)N и (Zr-Ti-Nb-Cr-Si)N методом вакуумно-дуговой техники. Считается, что небольшие добавления элементов Cr и Si при различных условиях осаждения влияют на механические свойства на основе тройных покрытий (Zr-Ti-Nb)N.

Покрытий (Zr-Ti-Nb)N, (Zr-Ti-Cr-Nb)N и (Zr-Ti-Cr-Nb-Si)N были осаждены на полированной вращающейся Si (100) и стальных подложках (12Х18H9T и сталь A570 Grade36) посредством вакуумно-дугового осаждения, применяя вакуумно-дуговую установку “Булат −6″. Испаряемые материалы представляли собой цельнолитые катоды 35 at% Zr, 35 at% Nb, 30 at% Ti для Zr-Ti-Nb, 37,39 at% Cr, 27,99 at% Zr, 22,30 at% Nb, 12,32 at% Ti для Zr-Ti-Cr-Nb и 17,08 at% Cr, 30,19 at% Zr, 9,67 at% Nb, 39,96 at% Ti, 3,1 at% Si для Zr-Ti-Cr-Nb-Si покрытий. Осажденные (Zr-Ti- Nb)N, (Zr-Ti-Cr-Nb)N и (Zr-Ti-Cr-Nb-Si)N покрытия были выполнены в молекулярной N2 атмосфере, давление рабочего газа изменялось от 0,04 до 0,7 Па. Смещение подложки было выбрано в качестве контролирующего параметра, который варьировался от −100 до −200 В. Подложки были разогреты до 450 °C перед осаждением. Расстояние между подложками и катодом было 250 мм. Параметры осаждения покрытий (Zr-Ti-Nb)N, (Zr-Ti-Cr-Nb)N и (Zr-Ti-Cr-Nb-Si)N представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры осаждения покрытий (Zr-Ti-Nb)N, (Zr-Ti-Cr-Nb)N и (Zr-Ti-Cr-Nb-Si)N

образца

Осажденный материал

Ток дуги

IД, А

Давление азота

PN, Па

Напряжение смещения

Uсм, В

(Zr-Ti-Nb)N

(Zr-Ti-Cr-Nb)N

(Zr-Ti-Cr-Nb-Si)N

Химический состав и морфологию покрытий исследовали с использованием сканирующей электронной микроскопии/ энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (SEM/EDX) JSM-6390 LV с напряжением 20-30 кВ.

Для измерения адгезии покрытий (Zr-Ti-Nb)N, (Zr-Ti-Cr-Nb)N и (Zr-Ti-Cr-Nb-Si)N, использовали скретч-тестер REVETEST, оснащенный алмазным индентором Rockwell C с радиусом закругления 200 мм.

Трибологические испытания проводились на автоматизированной машине трения марки «Tribometer» на воздухе по схеме «шарик –диск» при температуре 20ºС. Диски, на которые наносились покрытия, изготавливались из стали 18Cr10NiTi диаметром 30 мм, высотой 5 мм. В качестве контртела использовался шарик диаметром 6,0 мм, изготовленный из спеченного сертифицированного материала — Al2O3. Нагрузка составляла 10 Н, скорость скольжения 10 см/с.

Исследование механических характеристик нитридных покрытий, осажденных при различных параметрах осаждения, проводилась с помощью автоматизированных микротвердомеров «AFFRI DM-8 и Durascan-20». Отпечатки были сделаны на расстоянии 2,0 мм друг от друга, для каждого образца было проведено 10 измерений.

Результаты измерений механических характеристик, в частности, твердости всех полученных покрытий, приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Средние значения твердости нитридных покрытий

№ образца

Твердость, ГПа

(Zr-Ti-Nb)N HV0,025 ГПа

(Zr-Ti-Cr-Nb)N HV0,1 ГПа

Zr-Ti-Cr-Nb-Si)N HV0,1 ГПа

Как видно из таблицы 2, максимальное значение твердости (44,5 ГПа) для нитридного покрытия (Zr-Ti-Nb)N достигается при давлении реакционного газа PN=0,5 Па. Как мы видим, твердость покрытий (Zr-Ti-Cr-Nb)N, осажденных при PN=0,3 Па и U=-100 В, составляет 30,9 ГПа и изменяется до 38,8 ГПа при увеличении потенциала смещения на подложке до -200 В. Следует отметить, что покрытия, нанесенные при более низком содержании азота, имеют низкую твердость. Когда PN возрастает до…