CC BY
20
УДК 621.762.
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ КАТОДОВ РАЗЛИЧНОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА Антонова Анастасия Андреевна, студентка (e-mail:[email protected]) Лавро Виктор Николаевич, доцент (e-mail:[email protected]) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
В данной статье рассматриваются особенности нанесения ионно-плазменных покрытий ,полученных из катодных материалов различного химического состава. Сделан сравнительный анализ структуры и физико-механических свойств полученных покрытий TiN, CrN, ZrN, (TiAl)N, (TiBAl)N
Ключевые слова: покрытие, катод, свойства, плазма, технология.
В работе рассмотрены вопросы связанные с получением ионно-плазменых покрытий методом КИБ (конденсация и ионная бомбардировка) из катодных материалов ,изготовленных по традиционной технологии из сплавов титана, хрома, циркония и катодов, полученных по технологии СВС прессования (Самораспространяющийся высокотемпературный синтез) [1].
Для исследований были выбраны катоды из чистых тугоплавких металлов: ВТ1-00, ВХ1Н ,7г-иодидный-100% и многокомпонентные катоды системы Т1-С-А1 и Т1-В-А1, полученных методом СВС-прессования[2].
Внешний вид катодов, используемых в работе представлены на рис.1.
2 3 4
Рис.1 Катоды для исследования ионно-плазменных покрытий: 1- Катод из сплава ВТ1-00 , 2- катод из сплава ВХ1Н, 3-Катод из 7г-иодидного сплава, 4- катод ТЮ0,5+30А1, 5- катод (Ть12В)-15А1.
Структура рабочего слоя катода Т1-С-А1 представляют собой композит на основе МАХ-фазы состава И3 А1С2 содержание которого составляет 82-84%.Структура рабочего слоя катода Т1-В-А1 сформированы на основе сплава Т1В-Т1,состава (ТШ-35%Т1)+20%А1.
ш в 1 ,4. г
ШШШШШ \ 1
'\//у У///////// У////////А
• / / Л— УУ/
Рис.2.Конструкция четырехслойного катода:1-металлическое основание, 2-СВС-припой, 3-рабочий слой, 4-промежуточный слой
Исследования выполнялись на плазменной установке «Юнион» из катодов разного химического состава на образцах стали Р6М5,( диаметром 0 15мм.,И=5мм.),поле проведение термообработки (закалки Т=1200 °С и отпуск Т=560 °С).Образцы после нанесения покрытий представлены на рис.3.
^^ •>••<» С
Рис.ЗВнешний вид покрытий на образцах из стали Р6М5
Исследование структуры и элементного анализа исследуемых образцов были выполнены на растровом микроскопе ШОЬ 18Ы-6390-Л.
Для количественной интегральной оценки качества покрытия используется интегральный параметр качества К1,который рассчитывается по формуле 1:
Кх = (1)
1 Qo ' к '
где Q0 - количество электричества прошедшее через электролитическую ячейку при поляризации поверхности образца без покрытия; Qп - количество электричества, прошедшее через электролитическую ячейку при поляризации поверхности образца с покрытием. Параметр К является безразмерным и нормированным. Высшее качество покрытия соответствует значению К = 1, а низшее качество покрытия соответствует значению К = 0[3].
Технологические режимы нанесения и конденсации покрытий Т1К,СгК, 7гК,(Т1Л1)К,(Т1БЛ1)К на установке «Юнион» представлены в таблицах 1-5.
Технологические режимы конденсации покрытия Т1К приведены в таблице 1.
Таблица 1
Технологические режимы конденсации покрытия Т1Ы_
1.Низкотемпературн ая очистка иР=120 (В) 1н=22,2( А) РАг=3х10_4то р (0,039Па)
1р=1,5(А ) 1э.н=3,27 (А) т =10
2.Ионная очистка 1д=85 (А) иоп=1000 (В) тмин=8
1ст=2,5(А ) РОСТ=2х10_5тор(0,0026П а) Т°С=500
1ф=0,4(А) 11=2,0 (А)
3.Конденсация покрытия 1д=85 (А) иоп=100 (В) тМИН=60
1ф=0,4 (А) 11=1,5 (А) Т°С=500
1ст=2,5 (А) Рт =5х10_3тор (0,66Па)
Технологические режимы конденсации покрытия СгК приведены в таблице 2.
Таблица 2
_Технологические режимы конденсации покрытия СгЫ._
1.Низкотемпературная очистка иР=140 (В) 1н=22( А) РАг=3х10"4т ор (0,039Па)
1р =1,4 (А) 1э.н=3,14 (А) т =10 мин
2.Ионная очистка 1д=140 (А) иоп=1000 (В) Т =5-7
1ст=2,8(А) РОСТ=5х10"5тор (0,0066Па) Т,°С=500
1ф=0,2 (А) 11=0, 5(А)
3.Конденсация покрытия 1д=140 (А) иОп=100 (В) тМИН=40
1ф=0,3 (А) 11=0,5 (А) Т,°С=500
1ст=2,8(А) РЫ2=5х10_3тор (0,66Па)
Технологические режимы конденсации покрытия приведены в таблице 3.
Таблица 3
Технологические режимы конденсации покрытия 2гЫ._
1.Низкотемпературная очистка иР=106 (В) 1н =21,6( А) РАг=3х10"4тор (0,039Па)
1Р =1,68 (А) 1э.н=3,3 (А) т =10 мин
2.Ионная очистка 1д=100 (А) иОп=1000 (В) тмин=8
1ст=7,85 (А) РОСТ=2х10"5тор (0,00266644Па) Т°С=450
1ф=0,4 (А) 11=1,5-2,0 (А)
3.Конденсация покрытия 1д=100 (А) иОп=150 (В) тМИН =25-30
1ф=0,5 (А) 11=1,0 (А) Т°С=450
1ст=2,7 (А) Рш=8,5(2,5)тор (1133,23Па)
Технологические режимы конденсации покрытия (Т1А1)К приведены в таблице 4. Таблица 4 Технологические режимы конденсации покрытия (Т1А1)К
1.Низкотемпературная очистка иР=150 (В) 1н=21,8( А) РАг=2х10"4тор (0,053Па)
1Р =1,5 (А) 1э.н=3,23 (А) т =10 мин
2.Ионная очистка 1д=140 (А) иОп=1000 (В) тмин=8
1ст=3,0 (А) РОСТ=2х10"5тор (0,0026Па) Т°С=400
1ф=0,7 (А) 11=1,0 (А)
3.Конденсация покрытия 1д=140 (А) иОп=100 (В) тМИН=15
1ф=0,5 (А) 11=0,5 (А) Т°С=400
1ст=3,0 (А) Рш=5х10"3тор (0,66Па)
Технологические режимы конденсации покрытия (Т1БА1)К приведены в таблице 5.
Таблица 5
Технологические режимы конденсации покрытия (Т1БД1)Ы._
1.Низкотемпературн ая очистка иР=16 4 (В) 1н=21( А) РАг=2,5х10_4то р (0,033Па)
1р =1,1 1э.н=3,0 (А) Т =15 мин
(А)
2.Ионная очистка 1Д=100 (А) иОп=500 (В) тмин=8
1ст=3,0 (А) РОСТ=1х10"5 тор(0,0013П а) Т°С=400
1ф=0,5 (А) 11=2,5 (Д)
3.Конденсация покрытия 1д=90-100 (А) иОп=100 (В) тМИН=10
1ф=0,4 (А) 11=2,0 (А) Т°С=400
1ст=3,0 (А) Рш=2х10"3тор (0,39Па)
Принятые обозначения технологических параметров ,представленных в таблицах 1-5 :
иР-напряжение разряда ,В; 1н-ток накала ,А;
Р -давление газа в камере,тор(Па); 1Р- ток разряда, А; 1Э.Н-ток электромагнитной катушки ,А;
1ф-ток фокусирующей катушки ,А;
тмин-время очистки,мин; 1д-ток дуги,А; иОП-опорное напряжение на подложке ,В; 1СТ-ток стабилизирующей катушки ,А; Т-температура нагрева изделия,°С; ^-ионный ток,Д.
Исследование структуры и элементного анализа по каждому покрытию представлены на рисунках 4-8.
М'.ИПй 1 !11Л1 1 (
иьтиг. (¿■VI 1ггйг1 АшМ
■О*. в яг | Г и 1 я,«
31 X I 0.19 О.н 1.«
VI I ич а,и 1.л 0.43
сг ж. 1.411
Ив X. 3.1*1 гг!ы 1Г53 1,,4?
с* * с 314 за.са мь ii.cs-
: -Э0.0 Л 169.№
Рис.4 Структура и элементный состав СгЫ.
ш> ш ш>
ЖО
ли I*с
I
I |ке
1.4«
12м то
М1
М о
11.1« ].М 2М Ш 4.№ !.М 4» 7.« 1.00 ».«О ММ
! -.7 Не : Ъ - г! Г г а гги. г-1 .А : 1»; -1 г - I л: V » Ья г. I; -
Г1м1пд : О.Я'2
41*71 к
Ж К
1с ь 2 112 з-и.м 1.3« LM.dii
Т1-.Л!
Рис.5. Структура и элементный состав 7гК.
..А- г.-о Я К С, 1М
П * 4.,Ш
и С'^дГхС Аг и 11.:
0.4
И1и1 Сим к
К. 31 2,11 М.Н tj.iT 1.12 ал: 1М.М
Рис.6 Структура и элементный состав Т1К
§01®
Диан 111.
ЕИепыЛ ЦеУ] Ётгаг! Ида*
И К 0.392 10.43 3.11 23.94
и к 1 ¡96 чп ;г п 1С 1*>.
И К £9.02 1.39 3 0.£^
niL.ii. юо.ас то. оо
Рис.7 Структура и элементный состав (Т1Д1)К
г1гив) : #.111.4
Е1«*г: Жззл 1ни< д,:гт. -в к
К К 15.-33 г.4« 17.32
и к и.73 1.Ы 17.«
71 К 7а.44 им и.»
Г* К 1.К 3.10 3.4«
г.. г.: 1
Рис.8 Структура и элементный состав(Л1БТ1)К
В данной работе выполнены исследования для оценки качества покрытий по методу АПИД ( анодно - поляризационное инициирование дефект ов). Результаты исследования интегрального параметра качества всех покрытий,исследуемых в данной работе приведены в таблице 6.
Таблица 6
Результаты исследования интегрального параметра качества покрытий
Исследуемый Материал Qo *10"6 , Кл Q0ср, Кл Qп *10"6, Кл Qп ср , Кл К!
СТАЛЬ Р6М5 839,812,755, 791,759 791 - - -
™ 839,812,755, 791,759 791 176,183,160 173 0.78
СгК 839,812,755, 791,759 791 559,560,588 563,561 559 0,36
839,812,755, 791,759 791 246,285,292 274 0.65
(Т1Л1)К 839,812,755, 791,759 791 333,332,328 331 0.58
(Т1БЛ1)К 839,812,755, 791,759 791 98,113,129,108 106 111 0.86
Проведены исследования морфологии,состава,микроструктуры и свойств ионно-плазменных покрытий ,полученных с использованием катодов из тугоплавких металлов Т1,7г,Сг и СВС-катодов системы
Ti-C-Al и Т1-В-А1 .По сравнению с титановым катодом использование многокомпонентных катодов на основе соединений титана обеспечивают повышение практически всех показателей качества и свойств покрытий .Только по скорости роста покрытий тугоплавкие многокомпонетные катоды уступают Т^г,Сг.Несмотря на более высокий ток дуги испарителя оббьем микрокапельной фазы в покрытиях из СВС-катодов в 1,5-3 раза меньше ,чем в покрытиях из одноэлементных материалов, например ^^Толщина покрытий TiN,ZrN,CrN составляет 3,0-3,5 мкм, толщина покрытий (TiAl)N , (TiBAl)N 1,5-2,1 мкм.
По результатам элементного анализа показано уменьшение доли легких элементов в покрытиях ,полученных из многоэлементных катодов. Отсут-вие или очень малое количество микрокапельной фазы в многоэлементных покрытиях обусловлено ,по-видимому, более высокой температурой плавления рабочего слоя СВС-катодов. Также был определен интегральный параметр качества покрытия методом анодно- поляризационным инициированием дефектов ,который позволил сделать сравнительную оценку качества износостойких покрытий:
Кх(™)=0,78(Макс. значение 01),К1(С^)=0,36(Макс. значение 0,65), К± г^=0,65(Макс. значение 0,65) , К± (TiAl)N = 0,58 (Макс. значение 0,65),КХ (TiBA1)N= 0,86(Макс. значение 0-1) . Таким образом, покрытие, чей интегральный параметр обладает наилучшим качеством -(TiBAl)N.
Результаты исследования могут быть использованы при разработке технологии нанесения ионно-плазменных покрытий на режущий,штамповый инструмент,а также детали машин и механизмов,работающих в различных условиях с определением наиболее эффективного их использования.
Список литературы
1. Григорьев С.Н., Методы повышения стойкости режущего инструмента :учебник для студентов вузов. М,; Машиностроение, 2009.-368с.
2. Амосов А. П ., Латухин Е.И. СВС - прессование порошковых многокомпонентных катодов для вакуумно-дугового нанесения нанокомпозитных покрытий: ме-тод.указ.-Самара: Самарский государственный технический университет, 2011,-15с.
3. Лавро В.Н., Левина Е.Н. - Методы исследования и контроль качества ионно -плазменных покрытий, лабораторный практикум - Самара: Самарский государственный технический университет, 2012,-80с.
Lavro Viktor Nikolaevich associate Professor Antonova Anastasia Andreevna, ,student
THE STUDY OF STRUCTURE AND PHYSICO-MECHANICAL PROPERTIES OF ION-PLASMA COATINGS OBTAINED FROM CATHODES WITH DIFFERENT CHEMICAL COMPOSITION
Abstract. This article discusses the features of the application of ion-plasma coatings obtained from cathode materials of different chemical composition.A comparative analysis of the structure and physical and mechanical properties of the obtained coatings TiN, CrN, ZrN, (TiAl)N, (TiBAl)N.
Keywords: coating,cathode,properties,plasma,technology.
