научная статья по теме ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ, СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ ZR–TI–SI–N Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ, СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ ZR–TI–SI–N»

^ ПРОЧНОСТЬ

И ПЛАСТИЧНОСТЬ

УДК 669.29624782786:539.538

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ПОЛУЧЕНИЯ НА ФАЗОВЫЙ СОСТАВ,

СТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ ПОКРЫТИЙ СИСТЕМЫ Zr-Ti-Si-N © 2011 г. О. В. Соболь*, А. Д. Погребняк**, В. М. Береснев***

*Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт", 61002 Харьков, ул. Фрунзе, 21, Украина **Сумской государственный университет, "Сумской институт модификации поверхности",

40007 Сумы, ул. Р-Корсакова, 2, Украина ***Научный физико-технологический центр МОНи НАНУкраины, 61022 Харьков, пл. Свободы, 6, Украина

Поступила в редакцию 14.12.2010 г.; в окончательном варианте — 22.02.2011 г.

Изучены закономерности формирования фазово-структурного состояния и механические характеристики вакуумно-дуговых покрытий, полученных испарением мишени системы Zr—Ti—Si—N в реактивной среде азота. Для исследуемых составов мишеней Zr 92.0 мас. %, Ti — 3.9 мас. %, Si — 4.1 мас. % и Zr 64.2 мас. %, Ti — 32.1 мас. %, Si — 3.7 мас. % при рабочем давлении азотной атмосферы 0.1—0.8 Па и потенциале на подложке —100 В и —200 В установлено формирование однофазного кристаллического состояния покрытий (нитрид твердого раствора атомов испаряемой мишени). Размеры кристаллитов находятся в нанометровом диапазоне и составляют 25—85 нм. Увеличению размеров кристаллитов в направлении падения пленкообразующих частиц (перпендикулярно плоскости роста) способствует повышение потенциала смещения от —100 В до —200 В. Низкая теплопроводность Ti и Zr металлических составляющих испаряемой мишени приводит к значительному содержанию капельной фазы при использовании прямоточного режима вакуумно-дугового осаждения и требует для повышения однородности высоких механических свойств покрытий использования технологической схемы с сепарированием пленкообразующих пучков. Использование сепарированных от капельной фазы пленкообразующих пучков позволяет повысить однородность по морфологии поверхности покрытия при сохранении достаточно большого индекса пластичности материала покрытия H/E = (0.8—0.9) и высокой твердости 33—37 ГПа.

Ключевые слова: вакуумно-дуговые покрытия, система рентгеноструктурный анализ,

фазовый состав, структура, сжимающие напряжения, твердость.

ВВЕДЕНИЕ

Еще сравнительно недавно наиболее универсальным по условиям получения материала с высокой твердость и механическими характеристиками считался нитрид титана. Прогресс в направлении повышения эксплуатационных характеристик этого типа материалов в основном касался разработки новых, более эффективных методов нанесения ТЖ покрытий, обеспечивающих высокую твердость и работоспособность. И лишь с появлением работ по аномально высокой твердости нитридных покрытий при добавлении кремниевой составляющей (система Т1—81—^ привело к повышению интереса к материаловедческим основам получения нового типа покрытий [1—3].

Также более высокой по сравнению с исходными составляющими оказалась твердость покрытий другой тройной системы Zr + Т1 + N. Кроме того, исследования, проведенные в работах [4, 5], показа-

ли, что добавления атомов циркония к нитриду титана приводит к повышению износостойкости по сравнению с ТЖ, а также используемых для повышения износостойкости Т1С и (Т1, Л1^ покрытий. Причиной этого считается как стабилизационный эффект от присутствия циркониевых атомов для кристаллической решетки нитрида титана, так и образование очень тонкого слоя оксида циркония на поверхности покрытия [4—6]. Вследствие последнего уменьшается диффузионный износ — один из главных факторов износа при резании.

Последними тенденциями в разработке новых сверхтвердых защитных покрытий являются попытки объединения наилучших свойств трехэлементных покрытий путем создания на их основе че-тырехэлементных [7]. В данной работе исследуется структурное состояние и свойства покрытий четы-рехэлементной системы Zr + Т1 + 81 + N созданной на базе показавших высокую твердость и эксплуата-

Таблица 1. Данные рентгенофлуоресцентного анализа покрытий, полученных испарением мишени состава /г 92.0 мас. %, Т1 — 3.9 мас. %, — 4.1 мас. % при прямоточном режиме осаждения пленкообразующих частиц

Режимы Zr, мас. % Ti, мас. % Si, мас. %

Р= 0.3 Па, U = -200 В 97.2 1.9 0.9

Р= 0.3 Па, U = -100 В 95.8 2.9 1.3

Р = 0.7 Па, U = -200 В 96.7 2.3 1.0

Таблица 2. Данные рентгенофлуоресцентного анализа покрытий, полученных испарением мишени /г 64.2 мас. %, Т1 — 32.1 мас. %, 81 — 3.7 мас. % при прямоточном режиме осаждения пленкообразующих частиц

Режимы Zr, мас. % Ti, мас. % Si, мас. %

Р = 0.3 Па, U = - 200 В 72.3 27.1 0.6

Р = 0.3 Па, U = - -100 В 70.0 28.9 1.1

Р = 0.7 Па, U = - 200 В 70.4 28.8 0.8

ционные механические характеристики покрытии Ti + Si + N и Zr + Ti + N систем.

МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗЦОВ

Покрытия, толщиной 3—5 мкм, были получены высокочастотным (ВЧ) вакуумно-дуговым осаждением с помощью установки "Булат-6" на полированные образцы из нержавеющей стали Х18Н9Т без дополнительного нагрева подложки. В качестве реакционного газа использовался молекулярный азот.

Испаряемый материал представлял собой цельнолитые мишени системы /г-Т1-81 двух составов: 2г 92.0 мас. %, Т1 - 3.9 мас. %, 81 - 4.1 мас. % и 2г 64.2 мас. %, Т1 - 32.1 мас. %, 81 - 3.7 мас. %

Нанесение проводилось с использование потенциала смещения. Потенциал смещения подавался на подложку от ВЧ-генератора с импульсами затухающих колебаний частотой, близкой к 1 МГц, длительность каждого импульса ~60 мс с частотой повторений ~10 кГц. В работе используемый при осаждении потенциал смещения составлял - 100 В и -200 В.

Покрытия при испарении мишени состава /г 92.0 мас. %, Т1 - 3.9 мас. %, 81 - 4.1 мас. % получались при прямоточном режиме осаждения пленкообразующих частиц, а при испарении мишени состава 2г 64.2 мас. %, Т1 - 32.1 мас. %, 81 - 3.7 мас. % получались как при прямоточном режиме, так и в режиме с магнитной сепарацией испаренных пленкообразующих частиц, т.е. применялась система перехватывающих экранов для подавления потока макрочастиц в плазме вакуумно-дуговых источников с магнитной фокусировкой [8]. Скорость оса-

ждения в прямоточном режиме в среднем составляла 0.3 мкм/мин при температуре нагрева поверхности в процессе осаждения 120—150°С, а в режиме с магнитноИ сепарацией средняя скорость осаждения составляла 0.1 мкм/мин при температуре нагрева 30—50°С.

Исследование фазового состава и структуры покрытий проводилось на рентгеновском дифракто-метре ДРОН-3М в фильтрованном излучении CuXa c использованием во вторичном пучке графитового монохроматора. Съемки дифракционных спектров осуществлялись в поточечном режиме с шагом сканирования 29 = 0.1°. Для изучения напряженного состояния покрытий использовался метод рентгеновской тензометрии ("a-sin2y "-метод) и его модификации, применяемые к конденсатам с сильной текстурой аксиального типа [9, 10]. Изучение элементного состава осуществлялось на рентгенофлуо-ресцентном спектрометре СПРУТ (АО Укррентген, Украина) с трубкой прострельного типа и серебряным анодом, при возбуждающем напряжении 40 кВ. Стандартная точность измерения состава составляла ±0.05 мас. %. Для третьей серии образцов с малым содержанием кремния десятикратным увеличением времени набора точность была повышена и составляла ±0.01 мас. %. Морфология и структура поверхности анализировались с помощью растрового электронного микроскопа (REMMA-103M).

Механические свойства полученных образцов определяли методом наноиндентирования на приборе Nano Indenter G200 производства MTS Systems USA с использованием алмазной трехгранной пирамидки Берковича с радиусом затупления при вершине около 20 нм. Точность измерения глубины отпечатка ±0.04 нм. Для каждого образца выбирали однородую поверхность индентирования и получали не менее 15 кривых "нагрузка (разгрузка)-пере-мещение", что обеспечило точность в определении твердости ±(0.15—0.25) ГПа и модуля упругости ±(2.5—4.7) ГПа. Измерения образцов проводили до глубины 100 нм для исключения вклада подложки в измеряемую твердость композиции пленка—подложка, что не превышает 1/10 толщины пленки, с использованием модуля непрерывного контроля жесткости CSM (continuous stiffness measurement).

РЕЗУЛЬТАТИ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

По условиям получения покрытий можно выделить 3 серии образцов. Первые две серии при прямоточном режиме осаждения пленкообразующих частиц отличаются по элементному составу мишени, а третья серия отличается принципом формирования пленкообразующего потока путем его сепарирования.

При прямоточном режиме осаждения пленкообразующих частиц (табл. 1, 2) можно отметить 2 характерные закономерности в изменении элемент-

ного состава покрытия по сравнению с испаряемой мишенью. Первая — это понижение (по сравнению с тяжелыми циркониевыми) относительного содержания атомов титана и в большей мере атомов кремния при повышении потенциала смещения U от —100 В до —200 В, а вторая — это противоположный процесс увеличения относительного содержания атомов титана и кремния в покрытии при увеличении рабочего давления азота. Также можно отметить меньшую интенсивность обеднение титановыми атомами покрытий с исходно большим содержанием атомов титана (см. табл. 1, 2). Отмеченные выше изменения в элементном составе можно объяснить действием двух процессов: селективным распылением и нитридообразованием в приповерхностной области формируемого покрытия.

Первый процесс усиливается при повышении потенциала смещения и, соответственно, увеличении плотности выделенной энергии при бомбардировке растущей поверхности. Это приводит к более интенсивному удалению с поверхности роста легких атомов и, соответственно, обеднению ими формируемого покрытия (см. табл. 1 и 2 сравнение при Р = 0.3 Па для U = -100 В и -200В).

Увеличение относительного содержания атомов титана и кремния в покрытии при увеличение давления PN2 от 0.3 Па, до 0.7 Па, по-видимому, связанно с более эффективным образованием Ti-N и Si-N комплексов с высокой энергией связи и значительно меньшим коэффициентом распыления таких комплексов с формируемой поверхности покрытия.

При наличии магнитной сепарации осаждаемых

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.

Показать целиком