ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 1, 2014
НАДЕЖНОСТЬ, ПРОЧНОСТЬ, ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ МАШИН
И КОНСТРУКЦИЙ
УДК 621.891:546.26
© 2014 г. Хрущов М.М., Атаманов М.В., Марченко Е.А., Левин И.С., Дубравина А.А.,
Петржик М.И.
АЛМАЗОПОДОБНЫЕ ПОКРЫТИЯ С НАНОКОМПОЗИТНОЙ СТРУКТУРОЙ, ПОЛУЧАЕМЫЕ РЕАКТИВНЫМ МАГНЕТРОННЫМ РАСПЫЛЕНИЕМ ХРОМА В СМЕСИ Аг + С2Н2 + №,, И ИХ ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Приводятся результаты комплексного исследования структуры, фазового и химического состава, микротвердости, наномеханических и трибологических свойств легированных хромом покрытий гидрогенизированного аморфного углерода а-С:Н:Сг:К, полученных реактивным магнетронным распылением хрома при различных содержаниях азота и ацетилена в активной атмосфере, представляющей собой смесь Аг + С2Н2 + К2. Методом спектроскопии комбинационного рассеяния показано, что углерод в полученных покрытиях представляет собой неупорядоченную смесь областей с тетраэдрической ^3) и гексагональной координацией углеродных атомов. При этом легирующий металл в покрытии представлен нано-размерными включениями металлического хрома и его карбидных и нитридных фаз. Установлено, что дополнительное легирование покрытий а-С:Н:Сг азотом, ведущее к образованию нитрида хрома, позволяет улучшить их микромеханические и трибологические характеристики.
Триботехнические покрытия можно условно разделить на две больших группы. К первой относятся "мягкие" твердосмазочные покрытия, обладающие низким коэффициентом трения и относительно невысокой износостойкостью. Ко второй — "твердые" покрытия на основе твердых сплавов, керамик и тугоплавких соединений, демонстрирующие высокую износостойкость, но обладающие высоким коэффициентом трения / Условная граница между этими группами пролегает через "промежуточную" область, к которой можно отнести покрытия с ^ « 10 ГПа и f« 0,3. Алмазоподобные покрытия в смысле их высоких механических свойств, безусловно, входят в группу "твердых" покрытий. И хотя они подчас уступают соединениям тугоплавких металлов и керамикам, традиционно используемым в качестве "твердых" покрытий, сочетание высоких прочностных и антифрикционных свойств делает их перспективным материалом, обладающим уникальным сочетанием свойств — высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения при работе в средах различных типов [1,2].
В то же время алмазоподобные покрытия, как не содержащие водорода (а-С), так и "гидрогенизированные" (а-С:Н), содержащие водород, помимо высоких механиче-
ских и трибологических свойств обладают рядом недостатков, к основным из которых относятся низкая адгезия к основе, высокий уровень сжимающих остаточных напряжений и высокая вероятность деградации алмазоподобной структуры и свойств при длительном хранении в условиях окружающей среды. В этой связи ведутся исследования по улучшению свойств алмазоподобных покрытий. Обзор работ по структуре и трибологическому поведению легированных алмазоподобных углеродных и наноком-позитных покрытий содержится в [1]. Из приведенных в нем данных можно сделать вывод, что одним из перспективных материалов для создания триботехнических по-крытий-нанокомпозитов являются переходные металлы и, в частности, хром, покрытия на базе которого в связи с особенностями их структуры на микро- и наноуровне могут обладать высокими противоизносными и антифрикционными свойствами [2—6].
На основе данных по триботехническому материаловедению алмазоподобных покрытий [7, 8] и имеющихся предварительных результатов [9] в настоящей статье была поставлена задача провести комплексное изучение структуры легированных хромом алмазоподобных пленок и покрытий и их трибологических и механических характеристик при трении в паре с нитридом кремния при больших контактных давлениях.
Получение покрытий и методика эксперимента. Покрытия наносили на подложки из стали марки ХН35ВТ в виде шайб диаметром 30 мм, толщиной 3,5 мм. Напыление проводилось на торцевые поверхности образцов, отполированные до шероховатости Ra = 0,06. Технология магнетронного напыления покрытий в активной атмосфере состава Ar + C2H2 + N2 на экспериментальной вакуумной установке "ЗАО ИНАКОТЕК" и конструктивные особенности установки описаны в [9]. Полученные образцы покрытий в дальнейшем подвергали комплексному исследованию, при котором изучали их структуру, тип химических связей, микро- и наномеханические свойства, коэффициент трения и работоспособность в условиях тяжело нагруженного фрикционного несмазанного контакта.
Исследование структуры покрытий проводили на рентгеновском дифрактометре с детектором Пельтье и вертикальным гониометром на Cu Ka-излучении. Дальнейшую обработку измеренной интенсивности проводили по модифицированной методике [10], описанной в [11]. Для дифракционных пиков подложки из нержавеющей стали ХН35ВТ и полученных покрытий использовали аппроксимацию Лоренца. Затем по пяти самым сильным дифракционным пикам подложки, наблюдаемым в образцах с покрытиями, из отношения интегральных интенсивностей рефлексов образцов с покрытием и подложки была определена безразмерная величина произведения коэффициента поглощения рентгеновских лучей на толщину покрытия ц?, которую использовали для расчета интенсивности рассеяния от полубесконечного образца из материала покрытия. Дальнейший анализ фазового состава обработанных таким образом рентгенограмм покрытий выполняли с использованием специализированного программного обеспечения дифрактометра и базы данных PDF-2.
Их анализ позволил изучить структурные особенности наблюдаемых в покрытиях фаз, а также проследить эволюцию структуры ультрадисперсных включений хрома, карбидных и нитридных фаз на его основе. Размеры областей когерентного рассеяния (ОКР) (субзерен) в покрытиях определяли по Шереру—Селякову [12] на основе данных по уширению дифракционных линий.
Аллотропное состояние аморфного углерода в покрытиях было изучено методом лазерной спектроскопии комбинационного рассеяния (СКР). Исследования проводили на базе НТЦ КР РАН под руководством С.С. Бухалова.
Для исследования микроструктуры и химического состава покрытий использовали растровый электронный микроскоп с системой энергодисперсионного микроанализа INCA, ф. Oxford Instruments (Великобритания). При этих измерениях возможным наличием в образцах покрытий водорода пренебрегали.
Для измерений механических свойств покрытий использовали методы кинетической микротвердости и наноиндентирования. Исследования проводили на приборах MHTX и NHT, ф. CSM International (Швейцария), соответственно, по стандартной
I, отн. ед. 600
500 400 300 200 100 0
0
-
3
5 ■■--.... -■ .
11111
20
40
Рис. 1
60
80
100 29°
С, ат. 100
75
50
25
Рис. 2
Рис. 1. Дифрактограммы легированных хромом алмазоподобных покрытий, полученных при различном содержании ацетилена в газовой смеси: 1 — 20; 2 — 40; 3 — 60; 4 — 80; 5 — 100 об. % С2Н2 Рис. 2. Атомная концентрация углерода, азота и хрома, как функция объемного азота в активной атмосфере: 1 — углерод; 2 — хром; 3 — азот
методике, использующей метод Оливера—Фарра [13] для интерпретации диаграмм вдавливания.
Сравнительную оценку трибологических характеристик покрытий при трении скольжения в условиях сухого трения проводили на "Циклометре" (одношариковом трибометре) [14]. Схема испытаний — "неподвижный сферический индентор — вращающийся образец". Кроме определения коэффициента трения и величины износа этот прибор используется для построения кривых фрикционной усталости. При соответствующем диаметре сферы, при котором диаметр пятна касания сопоставим с параметрами шероховатости поверхности, результаты эксперимента можно представить в координатах "контактное давление — число циклов до разрушения". При записи силы трения на трибограмме, как правило, можно выделить две критических точки — начало разрушения, при котором наблюдается развитие интенсивных колебаний силы трения, и точку, соответствующую выходу на стационарный режим трения по поверхности, обновленной разрушением. Оценку N рекомендуется вести по второй критической точке [15], которую вычисляют, как среднее результатов серии повторных опытов при каждом значении нагрузки на индентор Р.
При оценке трибологических характеристик алмазоподобных покрытий использовали индентор в виде шарика из Si3N4 диаметром 6 мм. Испытания проводили на воздухе при частоте вращения образца 100 об/мин в течение часа.
Результаты исследований покрытий и их обсуждение. Структура покрытий a-C:H:Cг:N. Дифрактограммы исследованных покрытий после их обработки по описанной методике с целью удаления вклада подложки показаны на рис. 1. Анализ дифрактограмм, полученных при напылении покрытий в безазотной атмосфере (100% С2Н2), указывает на присутствие рентгеноаморфной карбидной фазы (диффузное гало в области углов 22° < 29 < 50°) и металлического хрома. Данные о фазовом составе покрытий а-С:Н:Сг^ при изменении состава активной атмосферы представлены в таблице.
По мере увеличения доли азота в активной смеси Аг + С2Н2 + N происходит уменьшение количества аморфной компоненты (уменьшение интенсивности диффузного гало), наблюдается увеличение степени кристалличности структуры покрытий (размеры ОКР постепенно увеличиваются и происходит некоторое сужение дифракционных линий), что сопровождается ростом количества ОЦК фазы хрома, образованием и постепенным увеличением нитридной фазы Сг^ или Сг№ Качественно эти данные со-
Содержание С2Н2, об. % "Углеродный" пик "Азотный" пик Линии Сг
100 Сг23С6 — Сг
80 Сг7С3 - Сг
60 Сг7С3 СгК Сг
40 Сг3С2 Сг^ Сг
20 Сг3С Сг2К (искаж.) Сг
гласуются с данными по изменению химического состава покрытий при варьировании содержания азота в активной атмосфере (рис. 2).
На дифракционных спектрах, приведенных на рис. 1, достаточно четко прослеживается интенсивный и относительно узкий диффузный пик 110, связанный с рассеянием областями с чистым хромом. Зависимость интегральной ширины Р110 этого пика и соответствующего ему размера блоков (ОКР) D (рис. 3, а) и интегральной интенсивности 110, дающей в первом приближении представление о процессах изменения концентрации включений металлич
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.