ФИЗИКОХИМИЯ ПОВЕРХНОСТИ И ЗАЩИТА МАТЕРИАЛОВ, 2012, том 48, № 6, с. 546-553
НАНОРАЗМЕРНЫЕ И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ^^^^ МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ
УДК 669.716.9
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ИЗНОСОСТОЙКИЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ НИТРИДОВ, ПОЛУЧАЕМЫЕ МЕТОДОМ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО ИОННО-ПЛАЗМЕННОГО ОСАЖДЕНИЯ © 2012 г. И. В. Блинков, А. О. Волхонский, В. Н. Аникин, Ю. В. Конюхов
ФГОУВПО "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", кафедра высокотемпературных процессов, материалов и алмазов E-mail: biv@misis.ru Поступила в редакцию 15.03.2011 г.
Методом ионно-плазменного вакуумно-дугового осаждения получены многокомпонентные покрытия Ti—Cr—Al—N с размером кристаллитов от 10 до 100 нм. Установлена зависимость изменений структуры и фазового состава покрытий от параметров осаждения. Увеличение электрического потенциала смещения (Ц,), подаваемого на субстрат, приводит к появлению в составе покрытия помимо сложного нитрида (Ti, Cr, Al)N и фазы TiCrN2 нитрида хрома CrN. При максимальных токе дуги на хромовом катоде (ICr = 130 A) и Ub в покрытии образуется второй нитрид Cr2N. Появление нитридных фаз хрома сопровождается измельчением кристаллитов в структуре покрытий. Значения твердости покрытий (до 32 ГПа) и модуля упругости (до 700 МПа) определяются как размерами кристаллитов, так и величинами микродеформаций в них, связанных с химической неоднородностью, которые достигают значений до 0.74%. Адгезионная прочность покрытий оценивается значениями порядка 90 Н. Режущий твердосплавный инструмент с получаемыми покрытиями характеризуется высокими значениями коэффициента стойкости на операциях непрерывного и прерывистого резания стали 38ХНМА, который достигает значений 5.1 и 5.7 соответственно.
ВВЕДЕНИЕ
Исследования в области разработки износостойких покрытий на рабочих поверхностях режущего инструмента показали, что многокомпонентные покрытия на основе нитридов имеют более высокие эксплуатационные характеристики по сравнению с однокомпонентными [1—6].
Указанные покрытия обладают более высокими упругими характеристиками и, как следствие, более высоким сопротивлением пластической деформации. Введение в состав покрытий на основе мононитридов дополнительных элементов способствует повышению уровня микродеформаций, измельчению размера кристаллитов [7, 8], и может явиться одним из способов получения материала покрытия, характеризующегося сочетанием высоких значений твердости и вязкости.
Целью данной работы являлось получение методом ионно-плазменного вакуумного дугового осаждения покрытий на основе многокомпонентных нитридов в системе И—Сг—А1—N на твердосплавном режущем инструменте при различных параметрах напыления (отрицательном потенциале смещения, подаваемом на подложку (иь) и токе дуги на распыляемом хромовом катоде (1Сг)), изучение процессов структуро- и фазообра-зования в исследуемой системе при формирова-
нии покрытий, изучение их свойств и эксплуатационных характеристик.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Нанесение покрытий осуществлялось на установке ионно-плазменного напыления типа Бу-лат-ННВ6.6-И1. Использовалась трехкатодная распыляющая система, включающая катоды из И, Сг и сплава И-5% (ат.) А1. Осаждение покрытий вели в атмосфере реакционного газа — азота. Меняющимися параметрами процесса были: ток распыляющей дуги на хромовом катоде (/Сг) и отрицательный электрический потенциал смещения (Ц,), подаваемый на подложку, которые изменялись соответственно от 90 до 130 А и от —100 до —160 В.
Исследования проводились на трех сериях образцов :
1-ая серия образцов — покрытия получены при минимальном значении Ль = —100 В и увеличивающимся 1Сг (от 90 до 130 А).
2-ая серия образцов — покрытия получены при минимальном значении 1Сг = 90 А и увеличивающемся иь (от -100 до -160 В).
3-я серия образцов — покрытия получены при максимальном ICr = 130 А и увеличивающемся Ub (от -100 до 160 В).
Для определения толщины полученных покрытий использовали метод шар-шлифа [9]. Время напыления покрытий составляло 90 минут. Средняя толщина покрытий была в пределах 4.54.8 мкм.
Изучение морфологии, состава и характера распределения элементов по толщине покрытий осуществлялось с применением полевого растрового электронного микроскопа (РЭМ) JSM-6700F с приставкой для энерго-дисперсионной спектрометрии JED-2300F фирмы JEOL.
Шероховатость поверхности покрытий анализировалась на профилометре Alpha-Step200.
Рентгеновский анализ проводили по дифрак-тограммам, полученным в режиме пошагового сканирования на дифрактометре ДРОН-4, при использовании излучения Со Ка [10] и графитового монохроматора на дифрагированном пучке. Количественный фазовый анализ был проведен из углового положения линии [222] каждого син-глета разделенного мультиплета. Определение среднего размера блоков (D) и величины микродеформаций решетки (е) проводили методом аппроксимации по паре линий [111-222]. В качестве эталона для отделения инструментального уширения применяли отожженный порошок чистого мелкозернистого кремния (10-20 мкм).
Дополнительные структурные исследования, а так же анализ химической связи атомов, содержащихся в покрытии, были проведены с использованием просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на приборе JEOL JEM 200CX, и метода рентгеновской фотоэлектронной спектрометрии (РФЭС) на спектрометре PHI 5500 ESCA фирмы Perkin-Elmer. Для возбуждения фотоэмиссии использовали монохроматизированное AlR^ излучение мощностью 200 Вт. Давление остаточных газов в камере анализа составляло 4.5 х 10-10 Торр. Диаметр области анализа составлял 1.1 мм.
Твердость (И) и модуль упругости (E) покрытий измерялись методом измерительного инден-тирования при малых нагрузках, по методу Оливера и Фарра [11], которое осуществляли на мик-роиндентометре Micro-Hardness Tester (CSM Instruments) при фиксированной нагрузке 300 мН. Глубина проникновения индентора контролировалась таким образом, чтобы она не превышала 10-20% от толщины покрытия для ограничения влияния субстрата.
Оценку адгезионной/когезионной прочности в системе "покрытие-субстрат" проводили методом царапания по результатам разрушения образцов при определенной нагрузке. Исследо-
вания осуществляли на приборе Revetest (CSM Instruments). Изучаемую поверхность царапали алмазным индентором типа Роквелла с радиусом закругления 200 мкм при непрерывно нарастающей нагрузке. Длина царапины (l) - 5 мм, нарастающая нагрузка (L) до 100 Н, скорость нагруже-ния 100 Н/мин. Были определены критические нагрузки: Lc1, которая обозначает момент появления первой трещины, и Lc3 , характеризующая изнашивание покрытий до подложки, и сделан вывод о механизме их разрушения. В процессе исследования измеряли акустическую эмиссию (AE), силу трения индентора (F^), коэффициент трения (ц), глубину погружения индентора (h), проводили микроскопические наблюдения вдоль царапины.
Исследования режущих свойств при непрерывном резании (продольном точении) осуществляли на токарном станке. Обрабатываемый материал - цилиндрическая заготовка диаметром 200 мм из стали 38ХНМА. Объектом исследования служили твердосплавные квадратные пластины без центрального отверстия размером 12.7 х х 12.7 х 4.75 мм (SNUN). Режим резания: скорость резания V = 150 м/мин, подача на зуб S = = 0.2 мм/оборот, глубина резания t = 1.0 мм.
Испытания на стойкость при торцевом симметричном фрезеровании проводили на вертикально-фрезерном станке. Использовалась схема симметричного фрезерования, которая позволяла устранить влияние переменности толщины среза на процессы резания и изнашивания твердосплавной пластины. Обрабатываемый материал - сталь 38ХНМА. Для проведения экспериментальных исследований применяли торцевые фрезы диаметром 125 и 160 мм. В целях устранения влияния различных факторов, связанных с неравномерным расположением зубьев фрезы относительно оси (осевое и торцевое биение), использовали фрезы с одним зубом. Режим фрезерования: скорость резания V = 188 м/мин, подача на зуб S = 0.125 мм/оборот, глубина резания t = = 1.0 мм. Критерием износа, как для продольного точения, так и для поперечного фрезерования служил износ задней поверхности пластины hmax = 0.5 мм. Измерение h проводили на оптическом микроскопе. При этом фиксировали время работы инструмента (стойкость) и путь, пройденный им до момента наступления заданного износа.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рисунке 1 представлена микрофотография поверхности сформированного покрытия, полученная методом РЭМ.
Все образцы характеризуются ячеистой структурой. Поверхность представляет собой "ячейки"
Рис. 1. Микрофотографии поверхности сформированного покрытия.
А1 Ка1 N Ка1 2
Т1 Ка1 СгКа1
Рис. 2. Микрорентгеноспектральный анализ поверхностного слоя покрытия Т1—Сг—А1—№
с выступающими вверх краями и ниспадающей серединой.
Вне зависимости от параметров нанесения поверхность всех образцов характеризуется близким по значению коэффициентом шероховатости -среднее значение коэффициента Яа составляет 0.33 мкм.
На рисунке 2 приведены результаты исследований по изучению спектральной излучательной способности характеристического рентгеновского излучения элементов (А1, Т1, Сг, содержащихся в покрытиях. Они свидетельствуют о равномерном распределении их в объеме сформированных покрытий.
Исследования элементного состава по толщине покрытий показывают наличие диффузионной зоны на границе подложка — покрытие, которая связана с преимущественной диффузией алюминия из покрытия. Это объясняется, по-ви-
димому, более высоким коэффициентом диффузии алюминия при температурах, реализуемых на субстрате ~600—700°С в процессе осаждения, по сравнению с коэффициентами диффузии других элементов в материал основы (Бм ~ 2.2 х 10—12см2/с против значения коэффициента диффузии БСг ~ - 6.0 х 10—15см2/с и DTi ~ 2.4 х 10—14см2/с).
Возрастание тока распыляющей дуги на хромовом катоде от 90 до 130 А увеличивало содержание хрома в газовой фазе и соответственно в покрытии с 16.5 до 23% ат. при иь = —100 В.
Увеличение электрического потенциала смещения, подаваемого на субстрат, с —100 до —160 В при всех значениях 1Сг приводило к уменьшению содержания хрома
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.