ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 5, с. 100-112
УДК 539.21.621
ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ НА СВЕРХНИЗКОЕ ТРЕНИЕ СЛОИСТЫХ ПОКРЫТИЙ, НАНЕСЕННЫХ ИОННЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ
© 2015 г. М. В. Ноженков
ЗАО "Техном-Т", 117587Москва, Россия E-mail: technomt@technom-t.ru Поступила в редакцию 02.07.2014 г.
Исследовано влияние технологии получения на свойства тонких пленок анизотропных слоистых структур. Проведены электронографические и электронно-микроскопические исследования структуры, а также тестирование триботехнических свойств. Установлено, что нанесение износостойкого подслоя и легирование материала покрытий приводят к значительному увеличению долговечности и возникновению сверхнизкого трения. Разработана обобщенная модель бездиссипативного переноса массы в отсутствие сил сопротивления при перемещении. Установлено, что сверхнизкое трение, сверхпроводимость и сверхтекучесть являются родственными явлениями, определяемыми фазовым переходом частиц при критической величине (преодоление потенциального барьера). Энергетически выгодным расположением частиц в кристаллической решетке для бездиссипативного перемещения при отсутствии сил сопротивления является расположение в пространствах Ван-дер-Ваальса слоистых систем, где возможно прогнозирование исследованных явлений.
Ключевые слова: слоистые покрытия, ионное распыление, триботехнические свойства, дихалькогени-ды переходных металлов, сверхнизкое трение, слабые взаимодействия.
DOI: 10.7868/S0207352815020158
ВВЕДЕНИЕ
Для улучшения физико-механических характеристик поверхностных слоев деталей с целью увеличения долговечности работы и повышения надежности используются износостойкие и антифрикционные покрытия, наносимые различными методами. Применяемые в современном машиностроении нержавеющие стали аустенитного класса и титановые сплавы обладают рядом преимуществ, однако данные материалы в силу особенностей физико-механических свойств подвержены схватыванию с последующим катастрофическим изнашиванием, особенно в условиях высокого вакуума. Свойства рабочих поверхностей таких материалов можно улучшить путем применения многослойных износостойких и антифрикционных покрытий. В качестве таких покрытий используются соединения переходных металлов IV—VI групп периодической системы (дихалькогениды, нитриды, карбиды, оксиды), наносимые вакуумными ионно-плазменными методами. Ряд особенностей кристаллической структуры и высокая анизотропия свойств по различным кристаллографическим направлениям обусловили широкое использование для этих целей дихалькогенидов переходных металлов. Это вещества со слоистой (ламеллярной) кристаллической структурой, в которой наряду с сильными ионно-ковалентными взаимодействи-
ями между атомами в отдельных слоях имеются слабые ван-дер-ваальсовы связи между соседними слоями.
Весьма перспективными и обладающими рядом преимуществ являются вакуумные ионно-плазменные методы нанесения таких покрытий, основанные на ионном (катодном) распылении. Покрытия, наносимые катодным распылением, имеют высокую адгезию к подложке, сохраняют стехиометрию, равномерность распределения и однородность по толщине. Известно, что физико-механические свойства материала во многом определяются его кристаллической структурой.
Разработка теории управления ростом покрытий на основе дихалькогенидов переходных металлов и выявление взаимосвязи с технологией их нанесения, объяснение процесса формирования покрытий с высокими триботехническими параметрами и механизма антифрикционных свойств, а также комплексные исследования кристаллической структуры и физико-механических свойств покрытий являются актуальной научно-технической задачей.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Покрытия на основе переходных металлов IV— VI групп периодической системы, в частности оксидов хрома, нитридов молибдена, дихалькогени-
Рис. 1. Электронограммы покрытий Мс^ (а, б), нанесенных при температуре 523 К и расположении образцов в центре платы (а) и на ее периферии (б).
(а)
Т
дов молибдена и вольфрама (Мс82, Мс8е2, ^^ и ^^еД были нанесены вакуумными ионно-плаз-менными методами. Триботехнические испытания были проведены на воздухе при нормальных условиях на машинах трения УГС-1 по схеме диск—сфера (диаметр сферы 9.0 мм) при удельной нагрузке ~105 Н/см2, скорость скольжения была постоянной и равна 0.019 м/с. Проведение трибо-технических исследований на воздухе создает более интенсивные условия эксплуатации, так как высокие антифрикционные свойства и большая долговечность дихалькогенидов проявляются в вакууме и инертных средах.
Покрытия наносились при температурах подложки от 283 до 1573 К на полированные образцы компактной керамики А1203, стали марок ШХ-15 и 12Х1810Т, титанового сплава ВТ23. Структура покрытий была исследована методом дифракции электронов на отражение в электронографе ЭМР-102М, морфологию поверхности изучали с помощью электронных микроскопов JXA-841 и ^М-35С. Элементный состав полученных покрытий исследовали методами спектроскопии характеристического рентгеновского излучения (1ЕМ-100С с приставкой СЕУЕХ) и рентгеновской фотоэмиссионной спектроскопии (ESCALAB-5) [1—3].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Для защиты рабочих поверхностей пар трения от изнашивания разработана технология получения износостойких антифрикционных покрытий переменного по толщине состава с высокими три-ботехническими свойствами [1] преимущественно из коррозионно-стойких сталей аустенитного класса или титановых сплавов. Из технологических параметров нанесения покрытий наиболее существенным следует считать температуру подложки, далее потенциал смещения, подаваемый на плату держателя образцов, а также легирование
наносимого покрытия с помощью подачи в рабочую камеру реактивного газа (или газовой смеси) и изготовление сменных мишеней сложного состава.
В ходе исследований установлено, что при изменении температуры подложки формируются квазиаморфные, поликристаллические или текстури-рованные покрытия. Ориентация кристаллитов вдоль оси [1010], перпендикулярной поверхности подложки, наблюдалась для MoS2, MoSe2, WS2, при температуре 473—973 К, вдоль оси [112 0] - для MoS2 при Т = 673-773 К.
Зависимость структуры от расположения образцов на плате держателя. Проводились исследования роста покрытий при расположении образцов в разных областях (в центре и на периферии) платы держателя подложек. Было установлено, что при расположении образца в центре платы держателя кристаллиты росли в виде текстуры с осями [1010] и [112 0] при соответствующих температурах подложки (рис. 1). Ось [0001] была полностью разориентирована в плоскости, параллельной поверхности подложки. При удалении от центра платы к периферии наблюдался плавный наклон
осей [1010] и [112 0] кристаллитов к центру с одновременной ориентацией оси [0001] по радиус-вектору с началом в центре держателя образцов. При этом угол наклона осей достигал ~30°. Совпадение направления пучка электронов в колонне электронографа с радиус-вектором, выходящим из центра платы, приводит к возникновению симметричной дифракционной картины, причем при параллельном перемещении образца в пучке вид дифракционной картины остается неизменным.
Полученные результаты подтверждают исследования морфологии поверхности покрытия (рис. 2). На микрофотографии видно, что кристаллиты ориентируются с небольшим угловым
Рис. 2. Микрофотографии поверхности покрытий Мс^ , нанесенных при температуре 523 К при расположении образцов в центре платы (а) и на ее периферии (б).
t, ч
VA
II
U
b1
2±
U !
//
1Л
III
IV
Ub
Ur1
Ur2
b2
3
ф
У
I,
^ Л V^'
Текстура
к
400 500 600 700 800 900 1000 1100
T, K
2
1
Рис. 3. Зависимость долговечности покрытий на основе дихалькогенидов на образцах AI2O3 от температуры подложки при триботехнических испытаниях по схеме диск—сфера: 1 — Мо82; 2 — MoSe2; 3 — WS2; 4 — WSe2; I — аморфная структура; II — поликристалл; III — текстура; IV — область разложения дихалькогенида МХ2 на металл и халькоген; Ubi 2 — потенциальные барьеры поверхности МоS2 и WSe2 соответсвенно; Ur1 2 — энергия разложения дихалькогенидов М^2 и WSe2.
разбросом. При удалении от центра платы они образуют замкнутые концентрические окружности. На покрытиях наблюдаются характерные гребнеобразные дендритные кристаллы, свидетельствующие о росте фрактальных броуновских поверхностей. Такая морфология пленок сохраняется при нанесении покрытий разных дихалькогенидов (Мс8е2, (рис. 1, 2). Область кристаллизации при одинаковых условиях осаждения (изменялась только температура подложки) смещалась в зону более высоких температур. Наиболее высокие температуры перехода от аморфной структуры к текстурированной кристаллической наблюдались для диселенида вольфрама (рис. 3).
Результаты исследований [1—3] показали, что текстуры с осями [1010] и [112 0] в покрытиях на основе дихалькогенидов являются текстурами роста, так как они возникают не на стадии зарождения, а на более поздних стадиях. Так, например, в случае нанесения дисульфида молибдена на полированные образцы из стали или А1203 при температуре 523 К покрытие неоднородно по толщине. Покрытия толщиной менее 0.08 мкм обладают аморфной структурой и имеют ровную поверхность. При фрикционных испытаниях такие покрытия не проявляли антифрикционного действия, как и в случае нанесения покрытий при низких температурах подложки.
Аналогичный механизм роста кристаллитов наблюдался при нанесении покрытий из нитрида
Рис. 4. Электронограммы (а, б) и микрофотографии (х5000) (в, г) покрытий АВД (а) и СГ2О3 (б, в, г).
алюминия АШ (имеющего гексагональную кристаллическую структуру типа вюрцита) методом магнетронного распыления. По мере удаления от центра формируются покрытия с осью [1010] при одновременной ориентации второй оси [0001] вдоль радиус-вектора, выходящего из центра платы (рис. 4). Как следует из представленной элек-тронограммы, вторая ось [0001] кристаллитов расположена под углом не более 15° к поверхности подложки и при наклоне основной оси текстуры [1010], соответственно, к центру.
При нанесении вакуумными ионно-плазмен-ными методами и методом электронн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.