CC BY
85
УДК 621.793.1:539.234 Е. Н. ЕРЕМИН
А. Ш. СЫЗДЫКОВА В. М. ЮРОВ
Омский государственный технический университет
Политехнический колледж корпорации «Казахмыс», г. Балхаш, Республика Казахстан
Карагандинский государственный университет им. Е. А. Букетова, Республика Казахстан
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ
ПРИ ОДНОВРЕМЕННОМ РАСПЫЛЕНИИ КАТОДОВ 12Х18Н10Т И И_
В работе приведены экспериментальные результаты по структуре и свойствам ионно-плазменных покрытий, полученных при одновременном распылении титанового катода и катода из стали 12Х18Н10Т. Покрытия наносились в среде азота и аргона на подложку из стали 45. Показано, что покрытия 12Х18Н10Т+И в газовой среде азота и аргона имеют столбчатую структуру, характерную для однофазных пленок. Покрытие 12Х18Н10Т+И в газовой среде азота имеет нанотвердость, равную 35,808 ГПа, а в среде аргона — 3,339 ГПа. Различие получается в 10 раз. Установлено, что покрытие 12Х18Н10Т+И, полученное в газовой среде азота, содержит 73 % И, а покрытие 12Х18Н10Т+И, полученное в газовой среде аргона, имеет высокое содержание Fe — 64,96 %. Экспериментальные результаты говорят о том, что нанотвердость покрытия 12Х18Н10Т+И в среде азота определяется наноструктурами нитрида титана, размеры которых лежат в диапазоне 5—10 нм.
Ключевые слова: ионно-плазменное напыление, конструкционные стали, многофазное покрытие, рентгеновский анализ, электронная микроскопия, микроструктура, наноструктура, микротвердость, нанотвердость.
Введение. В настоящее время в условиях ограниченности материальных средств в промышленном комплексе особое значение приобретают технологии, увеличивающие долговечность (ресурс) деталей и узлов машин. Большинство деталей машин выходит из строя из-за поверхностного износа. Поэтому во многих случаях повышение долговечности различных деталей и инструмента может быть достигнуто путем изменения химического состава и структуры поверхностного слоя. На современном этапе развития техники актуальным методом модификации поверхностей является нанесение покрытий в виде тонких пленок различных материалов.
Среди методов нанесения защитных покрытий, основанных на воздействии на поверхность детали потоков частиц и квантов с высокой энергией, большое внимание привлекают вакуумные ионно-плаз-менные методы [1—3]. Характерной их чертой является прямое преобразование электрической энергии в энергию технологического воздействия, основанной на структурно-фазовых превращениях в осажденном на поверхности конденсате или в самом поверхностном слое детали, помещенной в вакуумную камеру.
Основным достоинством данных методов является возможность создания весьма высокого уровня фи-
зико-механических свойств материалов в тонких поверхностных слоях.
Наиболее перспективны для получения нано-структурированных покрытий являются вакуумные методы: магнетронного распыления, ионного и ваку-умно-дугового осаждения. Это связано с тем, что, кроме термического фактора, появляются и другие — высокие степень ионизации, плотность потока и энергия частиц. Качество покрытия можно регулировать путем изменения температуры подложки, давления рабочего газа, потенциала подложки и других технологических параметров.
Для повышения износостойкости широкое распространение получили методы ионно-плазменного формирования покрытий на основе одинарных нитридов [3]. Вместе с тем актуальна задача создания новых покрытий на основе многоэлементных нано-композитов. Получение таких покрытий с помощью ионно-плазменных методов требует осаждения на подложку многокомпонентных потоков. В большинстве случаев синтез покрытий сложного элементного состава реализуется путем послойного или одновременного осаждения на подложку в атмосфере реакционных газововых потоков от ионных, магнет-ронных, вакуумно-дуговых источников и их комбинации [1 — 4].
Рис. 1. Микроструктура покрытия системы 12Х18Н10Т+Т1, полученного в газовой среде азота (х400)
1000 900
>
М 800 ■
Ц 700 л
И 600
о
с
л 500
и
И 400 &
И 300 200 100 0
а
2
> 860,6 Д ' 785,7
♦ 797,1
♦ 647,4 ♦ 693,5
¥ 537 \ \ 526,5 / / *573,7 >525,9 J
/ N. / 550,5 ► 443,3 ^ X ___Л 490,6 ♦ 432,6
411,1 423,5
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 количество измерений
Рис. 2. Изменение микротвердости по площади поверхности покрытия 12Х18Н10Т+Т1, полученного в газовой среде азота
Рис. 3. Микроструктура покрытия системы 12Х18Н10Т+Т1, полученного в газовой среде аргона
Рис. 4. Рентгенограмма покрытия системы 12Х18Н10Т с Т1, полученного в газовой среде аргона
Рис. 5. Наложение рентгенограммы покрытия системы 12Х18Н10Т+ Ti, полученного в газовой среде азота на библиотечные карточки FeN0 0324 и TiN и Fe-a
В настоящей работе обсуждаются экспериментальные результаты по исследованию многоэлементных нанокомпозитных покрытий, полученных при распылении одновременно двух катодов.
Объекты и методика эксперимента. Для нанесения покрытий использовались титановые катоды марки ВТ-1-00 по ГОСТ 1908 и катоды из стали марки 12Х18Н10Т. С помощью этих катодов наносились покрытия на установке ННВ-6.6.И1 на стальную подложку из стали 45 в газовой среде аргона и азота в течение 40 мин при токе дуги 1и = 80 А, опорном напряжении иоп = 200 В и давлении газа в камере Р = 5х10-3 мм рт. ст.
Микроструктура покрытий исследовалась на металлографическом микроскопе Эпиквант и электронном микроскопе JEOL JSM-5910. Для измерения микротвердости использовался микротвердомер HVS-1000A.
Часть экспериментальных данных, обсуждаемых в настоящей работе, получена в Материаловедческом центре коллективного пользования при Томском государственном университете (г. Томск, Россия). Толщина покрытий и их элементный состав измерялись с помощью электронного микроскопа Quanta 200 3D. Исследование фазового состава и структурных параметров образцов проводилось на диф-
Таблица 1
Элементный состав покрытия системы 12Х18Н10Т+Т1, полученного в газовой среде аргона
Element Wt % At % K-Ratio Z A F
Ti K 10,26 11,68 0,1089 1,0015 0,9839 1,0765
Cr K 16,05 16,82 0,1750 0,9981 0,9836 1,1103
Fe K 64,96 63,40 0,6408 0,9980 0,9798 1,0089
Ni K 8,73 8,10 0,0840 1,0127 0,9502 1,0000
Total 100 100
Таблица 2
Элементный состав покрытия системы 12Х18Н10Т+Т1, полученного в газовой среде азота
Element Wt % At % K- Ratio Z A F
N K 5,25 16,32 0,0307 1,1825 0,4937 1,0027
Ti K 73,45 66,80 0,7337 0,9886 0,9973 1,0132
Cr K 5,68 4,76 0,0520 0,9844 0,9194 1,0126
Fe K 14,09 10,99 0,1317 0,9833 0,9487 1,0015
Ni K 1,53 1,13 0,0147 0,9965 0,9621 1,0000
Total 100 100
Примечание. В табл. 1 и 2 K-Ratio — относительное разрешение = ДЕ/Е0 (ДЕ — ширина спектральной линии в РФЭС, Е0 — энергия электронов); Z — эффективный атомный заряд, А — аппаратная функция электронного спектрометра, F — поток возбуждающего рентгеновского излучения.
Таблица 3
Структурно-фазовый состав покрытия системы 12Х18Н10Т+ Т1, полученного в газовой среде азота
Обнаруженные фазы Содержание фаз, об. % Параметр решетки, А Размер ОКР, нм Ad/d-10-3
FeN0,0324 9,8 а = 3,592 10,35 2,18
TiN 85,5 а = 4,240 14,71 5,873
Fe-a 4,6 а = 2,864 7,29 4,843
рактометре XRD-6000 на СиКа-излучении. Анализ фазового состава, размеров областей когерентного рассеяния, размеров области внутренних упругих напряжений ( A d/d) проведен с использованием баз данных PCPDFWIN и PDF4 +, а также программы полнопрофильного анализа POWDER CELL 2.4. Нанотвердость покрытий определена с помощью системы наноидентирования по методу Оливера и Фара с использованием индентера Берковича при нагрузке 1 г и времени выдержки 15 с.
Результаты и обсуждение. Способы получения наноструктурных покрытий довольно разнообразны, но все они основаны на механизме интенсивной диссипации энергии [4], обобщенной в трех стадиях формирования. На первой стадии идет процесс зародышеобразования, который из-за отсутствия соответствующих термодинамических условий, не переходит в массовую кристаллизацию. Вторая стадия представляет собой формирование вокруг нано-кристаллических зародышей аморфных кластеров, которые на третьей стадии объединяются в межкрис-таллитную фазу с образованием диссипативной структуры.
На рис. 1 показана микроструктура стального покрытия 12Х18Н10Т, легированного титаном, полученного в среде азота. Здесь наблюдается глобулярная дислокационная структура. О значительных напряжениях, возникающих при осаждении покры-
тий, свидетельствуют изменения значений микротвердости, измеренных в различных точках площади покрытия (рис. 2).
В газовой среде аргона структура покрытия значительно изменяется. На рис. 3 показана микроструктура покрытия 12Х18Н10Т + И, полученного в газовой среде аргона. Покрытия 12Х18Н10Т + И, полученные как в газовой среде азота, так и аргона имеют столбчатую структуру, характерную для однофазных пленок [3]. Хотя однофазная структура наблюдалась и в многоэлементной системе И — У — — 2г — НЪ — Ш, описанной в работе [5]. Однако результаты рентгенографических исследований показывают различия в покрытиях 12Х18Н10Т + Т1, полученных в газовой среде азота и аргона.
На рис. 4 показана рентгенограмма покрытия 12Х18Н10Т + Т1, полученного в газовой среде аргона, а в табл. 1 — его элементный состав.
На рис. 5 представлена рентгенограмма покрытия, полученного в среде азота, а в табл. 2 — его элементный и в табл. 3 — фазовый состав.
Как видно, покрытие 12Х18Н10Т + Т1, полученное в газовой среде аргона, имеет высокое содержание Бе — 64,96 %, в то время как в покрытии 12Х18Н10Т + + Т1, полученном в газовой среде азота, содержится 73 % Т1. При этом в последнем случае выявлено наличие трех фаз, причем 85,5 % составляет нитрид титана. Поэтому объяснением наличия столбчатой струк-
Таблица 4
Свойства материалов, рассчитанные по данным наноиндентирования [6]
Материал Н, ГПа Е, ГПа
Медь 2,1 121
Титан (ОТ4-1) 4,1 130
Многослойная пленка Ti/ а-С:Н 8,0 128
Аморфная лента Zr—Cu — Ti — Ni 11,5 117
Кремний (100) 11,8 174
Тонкая пленка Ti — Si—N 28,4 295
туры может служить большое содержание фазы нитрида титана, которая «подавляет» наличие других фаз.
Нанотвердость покрытия 12Х18Н10Т + Т1, полученного в газовой среде азота, определенная с использованием индентера Берковича, равна 35,808 ГПа, что соответствует 3316,2 единицы твердости по методу Виккерса. Модуль текучести такого покрытия равен 378,56 ГПа.
Нанотвердость покрытия 12Х18Н10Т + Т1, полученного в газовой среде аргона равна 3,339 ГПа, что соответствует 309,27 единицам твердости по методу Виккерса. Модуль текучести такого покрытия равен 111,03 ГПа.
Таким образом, нанотвердость покрытия 12Х18Н10Т + Т1, полученного в газовой среде азота, в 10 раз превосходит нанотвердость покрытия, полученного в среде аргона.
Представляет интерес сравнение полученных результатов с известными данными по наноинденти-рованию других материалов [6]. Такие данные представлены в табл. 4.
Результат сравнения показывает, что нанотвердость покрытия 12Х18Н10Т + Т1, полученного в среде азота превосходит все представленные в табл. 4 материалы, среди которых последние три используются как упрочняющие и абразивные покрытия.
Заключение. Установлено, что структура и свойства покрытий системы 12Х18Н10Т + Т1, сформированных методом конденсации совмещенных плазменных потоков, определяется фазовым составом получаемого нанокомпозита. В атмосфере азота
формируется многофазное покрытие со свойствами, превышающими соответствующие характеристики известных материалов, используемых в качестве упрочняемых покрытий деталей и инструмента.
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. Азаренков, Н. А. Инженерия вакуумно-плазменных покрытий / Н. А. Азаренков. — Харьков : Изд-во ХНУ им. Ка-разина, 2011. — 344 с.
3. Мрочек, Ж. А. Плазменно-вакуумные покрытия / Ж. А. Мрочек, А. К. Вершина, С. А. Иващенко. — Мн., 2004. — 368 с.
4. Псахье, С. Г. Синтез и свойства нанокристаллических и субструктурных материалов / С. Г. Псахье, К. П. Зольников, И. С. Коноваленко. — Томск : ТПУ, 2007. — 264 с.
5. Соболь, О. В. О воспроизводимости однофазного структурного состояния многоэлементной высокоэнтропийной системы Т1 — У — 7г — КЬ — Ш 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.
6. Головин, Ю. И. Наноиндентирование и механические свойства материалов в наношкале (обзор) / Ю. И. Головин // ФТТ. — 2008. — Т. 50, №12. — С. 2113 — 2142.
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». Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 16.04.2015 г. © Е. Н. Еремин, А. Ш. Сыздыкова, В. М. Юров
Книжная полка
Еремин, Е. Н. Термическая обработка сварных соединений [Электронный ресурс] : учеб. электрон. изд. локального распространения : учеб. пособие для вузов по направлению подготовки дипломированных специалистов 150200 (ранее 651400) «Машиностроительные технологии и оборудование», специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства» / Е. Н. Еремин. - Электрон. текстовые дан. (22,4 Мб). - Омск : ОмГТУ, 2014. -1 эл. опт. диск (CD-ROM).
Приведены основные положения теории термической обработки сварных конструкций. Рассмотрены виды и режимы термической обработки, способы нагрева и применяемые материалы, нагревательные устройства, оборудование. Описаны технологии термообработки, способы контроля температуры и качества. Предназначено для студентов специальности 150202 «Оборудование и технология сварочного производства», может быть использовано инженерно-техническими работниками предприятий, проектных и научно-исследовательских организаций, занимающихся проектированием и изготовлением сварных конструкций.
