CC BY
103
УДК 621.793.1:539.234 Е. Н. ЕРЕМИН
А. Ш. СЫЗДЫКОВА В. М. ЮРОВ С. А. ГУЧЕНКО
Омский государственный технический университет
Политехнический колледж корпорации «Казахмыс», г. Балхаш, Республика Казахстан
Карагандинский государственный университет им. Е. А. Букетова, Республика Казахстан
ИССЛЕДОВАНИЕ МНОГОЭЛЕМЕНТНЫХ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ
ПРИ ОДНОВРЕМЕННОМ РАСПЫЛЕНИИ КАТОДОВ В АРГОНЕ_
В работе приведены экспериментальные результаты по структуре и свойствам ионно-плазменных покрытий, полученных при одновременном распылении композиционного катода из сплава Al—Cu—Si и катода из стали 12Х18Н10Т. Покрытия наносились в среде аргона на подложку из стали 45. Структура покрытий исследована методами оптической, электронной и атомно-силовой микроскопии. Установлено, что покрытия 12Х18Н10Т+Al—Cu—Si, полученные в газовой среде аргона, имеют столбчатую структуру, характерную для однофазных пленок. Среднее значение микротвердости покрытия составляет 364 МПа при среднем значении микротвердости основы подложки в 256 МПа. Различие получается более чем в 1,4 раза. Показано, что микротвердость покрытия определяется наноструктурами карбидов и интерметаллидов основных легирующих элементов покрытия. Установлено, что увеличение микротвердости покрытия и уменьшение коэффициента трения приводят к повышению эксплуатационных свойств деталей из стали 45.
Ключевые слова: ионно-плазменное напыление, конструкционные стали, многофазное покрытие, структура, микротвердость, износостойкость.
Введение. Создание новых методов модифицирования поверхностных слоев деталей является одной из наиболее актуальных проблем материаловедения, от решения которой зависит будущее современных технологий.
В настоящее время широкое распространение получили вакуумные технологии формирования тонкопленочных упрочняющих покрытий на поверхности пар трения деталей машин [1—3]. Современными перспективными материалами для таких технологий являются нанокомпозитные покрытия на основе тугоплавких металлов, обладающих высокими физико-механическими свойствами [2, 3]. Однако современные твердые пленки, формируемые распылением в вакууме катодов на основе титана, хрома, молибдена и других элементов при высокой твердости и прочности обладают и высоким коэффициентом динамического трения в контакте с множеством используемых материалов.
Современные требования к эксплуатационным характеристикам деталей пар трения из конструкционных сталей ставят актуальной задачу поиска
новых покрытий на основе многокомпонентных систем, образующих твердые растворы друг с другом или покрытий, представляющих собой комбинацию фаз металлов и их соединений [2].
Улучшить низкие антифрикционные характеристики твердых покрытий на деталях из конструкционных сталей с одной стороны, повысив при этом стойкость к абразивному изнашиванию, можно за счет одновременного использования различных материалов в композиционных структурах. В этом отношении перспективны многоэлементные нанокомпо-зиционные покрытия, формируемые одновременно осаждением в вакууме потоков, распыляемых твердых и твердосмазочных материалов из разных катодов [2, 4].
Одна из ключевых проблем, которые следует решить при создании нанокомпозиционных ионно-плазменных покрытий — генерация многокомпонентных потоков, осаждаемых на подложку. Целью настоящей работы является исследование структуры и свойств многоэлементных покрытий, формируемых совместным осаждением потоков ионов раз-
полученного в газовой среде аргона (х400)
Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение покрытия системы 12Х18Н10Т+А1-Си-81, полученного в газовой среде аргона
личных металлов на подложку из конструкционном стали с использованием одновременно распыляемых раздельных катодов.
Объекты и методика эксперимента. Для нанесения покрытий использовались катоды Al — Cu —Si, полученные методом индукционного плавления и катоды из стали марки 12Х18Н10Т. С помощью этих катодов наносились покрытия на ионно-плазменной установке ННВ-6.6.И1 на стальную подложку из стали 45 в газовой среде аргона в течение 40 мин при токе дуги Iи = 80 А, опорном напряжении Uоп = 200 В и давлении газа в камере Р = 5х10-3 мм рт. ст.
Микроструктура покрытий исследовалась на металлографическом микроскопе Эпиквант, электронном микроскопе JEOL JSM-5910 и атомно-силовом микроскопе NT-206. Для измерения микротвердости использовался микротвердомер HVS-1000A, а для трибологических исследований — созданная в лаборатории КарГУ установка для определения износостойкости и трения скольжения [5].
Результаты и обсуждение. В процессе одновременного распыления различных катодов ионы металлов перемешиваются в плазме и, после осаждения, формируют покрытие. На рис. 1 показана оптическая, на рис. 2 — электронно-микроскопическая микроструктура покрытия. Микроструктуру однофазных пленок качественно можно описать с помощью моделей, предложенных в работах [6, 7]. Однако эти модели сильно изменяются, если в пленку вводится легирующая примесь. Примеси останавливают рост зерна и стимулируют перезародышеобразова-ние. Это явление приводит, как правило, к формированию глобулярной структуры [8]. На рис. 2 видно образование такой глобулярной структуры исследованных многоэлементных покрытий.
На рис. 3 показана морфология покрытия системы 12Х18Н10Т + Л1 — Си — 81, полученного в среде аргона.
Анализ изображений позволяет сделать вывод, что композиционное покрытие, полученное в среде
Таблица 1
Результаты измерения микротвердости покрытия 12Х18Н10Т+Л1-Си-81, полученного в газовой среде аргона
Количество измерений Микротвердость покрытия, МПа
1 361,3
2 449,9
3 282,9
4 342,6
5 390,5
6 296,5
7 330,3
8 350,9
9 300,8
10 322,2
11 403,8
12 355,4
13 393,3
14 479,4
15 406,5
Ср. арифмет. 364,38
аргона, характеризуется незначительной шероховатостью поверхности. При этом наблюдается столбчатая структура. Такая морфология может являться основой улучшения как физико-механических, так и трибологических свойств материала основы.
Результаты измерения микротвердости покрытия приведены в табл. 1.
Расчеты показывают, что среднее значение микротвердости покрытия 12Х18Н10Т + Л1 — Си — полученного в среде аргона, составляет 364 МПа, при среднем значении микротвердости основы подложки в 256 МПа.
На рис. 4 показано распределение микротвердости вдоль образца.
Как видно, изменение микротвердости носит «квазипериодический» характер, который отвечает некоторому автоволновому процессу (АВП). Под АВП принято понимать самоподдерживающейся в активной нелинейной среде волновой процесс (включая стационарные структуры), сохраняющий свои характеристики постоянными за счет распределенного в среде источника энергии [9]. В нашем случае АВП поддерживаются за счет энергии энергии ионной плазмы. Подобные явления определяются не
Рис. 4. Распределение микротвердости вдоль образца с покрытием системы 12Х18Н10Т+Л1-Си-81, полученного в газовой среде аргона
только диффузией и теплопередачей, но и гидродинамическими потоками, в частности конвекцией, испарением, кипением, поверхностным натяжением.
В табл. 2 приведен элементный состав покрытия. Видно, что состав покрытия представляет собой комбинацию фаз металлов и соединений. В покрытии наряду с железом содержится большое количество хрома, никеля, алюминия. Значительное количество углерода в покрытии обуславливает большое содержание в нем карбидных фаз. Вместе с этим отмечено наличие интерметаллидов основных легирующих элементов покрытия. Все это и объясняет наличие столбчатой структуры и существенное повышение микротвердости покрытия.
Результаты трибологических испытаний указывают на то, что износостойкость образцов с покрытием из стали 12Х18Н10Т с имплантацией антифрикционного сплава Л1 — Си — 81, полученных в среде аргона, существенно повышается по сравнению с образцами без покрытий. Покрытия при испытаниях истираются, но не отслаиваются, т.е. разрушаются по когезионному механизму, связанному с пластической деформацией и образованием усталостных трещин в материале покрытия. При этом коэффициент трения уменьшается почти в 2 раза. По-видимому, антифрикционная составляющая покрытия, действуя как смазочное вещество, снижает сопротивление сдвигу адгезионных связей, возникающих в трибосистемах. Происходит самоорганизация структурно-фазового состояния на поверхности под действием трения, которая состоит в пластической деформации шероховатостей поверхности и формировании трибослоя.
Таблица 2
Состав покрытия системы 12Х18Н10Т+Л1-Си-Б1г полученного в среде аргона
Элемент Тип линии Условная концентрация Отношение к Вес.% Сигма Вес.%
С К серия 1,67 0,01671 3,09 0,34
Л! К серия 24,27 0,17431 13,30 0,15
Сг К серия 61,61 0,61614 17,80 0,17
Ре К серия 177,62 1,77625 58,36 0,31
№ К серия 17,71 0,17713 6,20 0,16
Т1 К серия 2,06 0,02058 0,63 0,06
Си К серия 1,05 0,01047 0,38 0,13
К серия 0,49 0,00384 0,25 0,05
Заключение. Совмещение ионно-плазменных потоков двух катодов системы 12Х18Н10Т + А1 — Cu — Si в аргоне позволяет сформировать многоэлементные покрытия, обладающие наряду с высокой твердостью, износостойкостью и повышенными триботехническими характеристиками.
Все это в совокупности определяет экономическую и техническую целесообразность использования технологии синтеза таких покрытий на конструкционных сталях.
nanocomposites / S. Carvalho, E. Ribeiro, L. Rebouta et al. // Surf. and Coat. Technol. - 2003. - V. 174-175. - P. 984-991.
8. Соболь, О. В. О воспроизводимости однофазного структурного состояния многоэлементной высокоэнтропийной системы Ti — V — Zr — Nb — Hf и высокотвердых нитридов на ее основе при их формировании вакуумно-дуговым методом / О. В. Соболь, А. А. Андреев, В. Ф. Горбань [и др.] // Письма в ЖТФ. - 2012. - Т. 38, вып. 13. - С. 40-47.
9. Васильев, В. А. Автоволновые процессы / В. А. Васильев, Ю. М. Романовский, В. Г. Яхно. - М. : Наука, 1987. - 240 с.
Библиографический список
1. Андреев, А. А. Вакуумно-дуговые покрытия / А. А. Андреев, Л. П. Саблев, С. Н. Григорьев. — Харьков : ННЦ ХФТИ, 2010. - 318 с.
2. Псахье, С. Г. Синтез и свойства нанокристаллических и субструктурных материалов / С. Г. Псахье, К. П. Зольников, И. С. Коноваленко. - Томск : ТПУ, 2007. - 264 с.
3. Мрочек, Ж. А. Плазменно-вакуумные покрытия / Ж. А. Мрочек, А. К. Вершина, С. А. Иващенко. — Минск : Технопринт, 2004. — 369 с.
4. Покрытия и смазка в высокотемпературных подвижных сопряжениях и металлообработке / Л. Ш. Шустер [и др.]. — М. : Машиностроение, 2008. - 318 с.
5. Колесников, В. А. Информационно-измерительный прибор для определения коэффициента трения скольжения / В. А. Колесников, Я. Ж. Байсагов, В. М. Юров // Фундаментальные исследования. — 2011. — № 12. — Ч. 1. — С. 121 — 124.
6. Thornton, J. A. Structure and topography of sputtering coatings / J. A. Thornton // Ann. Rev. Material Sci. — 1977. — Vol. 7. — P. 239 — 260.
7. Carvalho S., Ribeiro E., Rebouta L. et al. Effect of morphology and structure on the elastic behavior of (Ti, Si, Al)N
ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), декан машиностроительного института, заведующий кафедрой «Машиностроение и материаловедение» Омского государственного технического университета (ОмГТУ). СЫЗДЫКОВА Айгуль Шаяхметовна, соискатель по кафедре «Машиностроение и материаловедение» ОмГТУ; директор Политехнического колледжа корпорации «Казахмыс».
ЮРОВ Виктор Михайлович, кандидат физико-математических наук, директор научно-исследовательского центра «Ионно-плазменные технологии и современное приборостроение». ГУЧЕНКО Сергей Александрович, магистр, младший научный сотрудник научно-исследовательского центра Карагандинского государственного университета им. Е. А. Букетова. Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 21.04.2015 г. © Е. Н. Еремин, А. Ш. Сыздыкова, В. М. Юров, С. А. Гученко
Книжная полка
Мозговой, И. В. Теория и практика силового ультразвука : моногр. В 4 ч. Ч. 1. Механизм колебаний / И. В. Мозговой. - Омск : ОмГТУ, 2014. - 189 c. - ISBN 978-5-8149-1915-1.
Рассмотрены вопросы теории распространения колебаний в полимерных средах силового ультразвука, теплообразования, образования соединений и технологии сварки пластмасс. В первой части монографии представлены результаты исследований траекторий колебаний с помощью разработанных уникальных методик скоростного фотографирования, сверхскоростного фоторегистрирования и сверхскоростной киносъемки. Впервые установлены и описаны явления отрывов и соударений на границах разделов соединяемых ультразвуком пластмассовых деталей. Решены уравнения колебательных движений с различными краевыми условиями и получены математические выражения для расчета смещений в пластмассовом тракте при распространении колебаний силового ультразвука. Рекомендована специалистам, аспирантам и студентам, занимающимся ультразвуковыми технологиями.
Юша, В. Л. Анализ термодинамической эффективности систем рекуперации тепловых потерь силовых агрегатов мобильных компрессорных установок : моногр. / В. Л. Юша, Г. И. Чернов. -Омск : ОмГТУ, 2014. - 114 c. - ISBN 978-5-8149-1919-9.
Рассмотрены вопросы рекуперации тепловых потерь приводного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) как одного из основных функциональных элементов мобильной компрессорной установки. Проведен анализ возможных способов рекуперации тепловых потерь ДВС. Разработаны математические модели, и на основе этих моделей выполнен теоретический анализ повышения экономичности приводных ДВС посредством внутренней и внешней рекуперации их тепловых потерь. Для научных, инженерно-технических работников и студентов, специализирующихся на разработке энерго- и ресурсосберегающих систем и технологий.
