книги / Изучение функциональных свойств многослойных пленок на основе двух- и трехкомпонентных нитридов тугоплавких металлов и их соединений с легкоплавкими металлами и неметаллами

УДК 669.018.45-416 (075.8) К18

Рецензенты:

д-р физ.-мат. наук, профессор М.И. Самойлович (ОАО ЦНИТИ «Техномаш»);

канд. техн. наук, доцент Н.И. Сушенцов (НПЦ «Поиск-МарГТУ»)

Каменева, А.Л.

К18 Изучение функциональных свойств многослойных пленок на основе двух- и трехкомпонентных нитридов тугоплавких металлов и их соединений с легкоплавкими металлами и неметаллами : учеб. пособие / А.Л. Каменева. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2017. – 211 с.

ISBN 978-5-398-01801-1

Представлено современное решение проблемы изучения физико-механи- ческих, антифрикционных, адгезионных, коррозионных, износо-, трещино- и теплостойких свойств ионно-плазменных многослойных пленок на основе двух-

итрехкомпонентных нитридов тугоплавких металлов и их соединений с легкоплавкими металлами и неметаллами в зависимости от строения, внутренних напряжений, фазового и элементного состава слоев. Приведены примеры исследования

ииспытания многослойных пленок на основе двух- и трехкомпонентных нитридов тугоплавких металлов и их соединений с легкоплавкими металлами и неметаллами

итехнологии их получения.

Предназначено для бакалавров, магистров, аспирантов и ученых, обучающихся и работающих в области технологии получения многофункциональных поликристаллических одно- и многослойных пленок.

УДК 669.018.45-416 (075.8)

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

2.2.Методика проведения коррозионных испытаний тестовых образцов с многослойными пленками на основе двух-, трех-

2.3.Методика проведения коррозионных испытаний тестовых образцов с многослойными пленками на основе двух-, трех-

2.4.Методика проведения трибологических испытаний тестовых образцов с многослойными пленками на основе двух-, трех-

2.5.Методика проведения механических испытаний для определения физико-механических свойств многослойных пленок на основе

2.6.Методика проведения стойкостных испытаний и исследований термической стабильности упрочненных изделий в различных

3

2.8.Методика проведения промышленных испытаний упрочненного технологического инструмента и пар трения с однослойными

3.2.Изучение физико-механических, трибологических, коррозионных

иадгезионных свойств многослойных пленок на основе

3.5.Эксплуатационные свойства многослойных пленок на основе

двухкомпонентных TiN (ZrN) и трехкомпонентных TiхZr1–хN (Ti1–хAlхN) слоев с градиентом структуры, фазового и элементного состава при обработке сильвинитовой руды, аустенитных, закаленных

4.1.Основы получения высокоэкономичной многослойной Ti-•TiNп.с-TiNн.с•-TiNн.с пленки с градиентом структуры слоев

и повышенной сопротивляемостью к истирающим и динамическим

4

5

6

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

АИИ – автономный источник ионов; ВСД – высокотемпературный синтез под давлением;

ДВДР – двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд; ВДР – вакуумно-дуговой разряд; ВАХ – вольт-амперные характеристики;

ВЧ МР – высокочастотное магнетронное распыление; ИАС – износостойкие и антифрикционные свойства; ИБ – ионная бомбардировка; ИО – ионная очистка; КР – кристаллическая решетка; КП – катодное пятно;

КТР – комбинированный температурный режим; ЛНС – локальные несплошности поверхности; МКФ – микрокапельная фаза; МП – многослойные пленки; МР – магнетронное распыление;

МРС – магнетронная распылительная система; ОН – остаточные напряжения; ОКР – область когерентного рассеивания; ПД – пластическое деформирование; ПС – поверхностная структура;

СВС – самораспространяющийся высокотемпературный синтез; МСЗ – модель структурных зон; СО – стержневые образования;

ТИ и ПТ – технологический инструмент и пары трения; ТехП – технологический параметр; ТемП – температурный параметр; ТДР – термодинамическое равновесие; Тп.сл – температура подслоя; Тотп – температура отпуска; ТР – тлеющий разряд;

ТЭН – технологическо-эксплуатационная наследственность; ФМС – физико-механические свойства; ЭДИ – электродуговое испарение; ЭДИ+МР – комбинированный метод;

7

ABSTM – Arc Bond Sputtering;

•Zr–ZrN• – повторяющиеся слои в многослойном покрытии; с- – кубическая фаза (например, с-TiN);

еа, ес, еd – деформация кристаллической решетки, определяемая по изменению ее параметров и межплоскостного расстояния;

Е – модуль Юнга; Е* – приведенный модуль Юнга;

Еп – полная свободная энергия; Еп/а – полная энергия на один атом двойной/тройной фазы;

Нμк – микротвердость композиции покрытие–подложка;

f – коэффициент трения;

h- – гексагональная фаза (например, h-Ti3Al2N2); Н/Е – стойкость к упругой деформации разрушения; H3/Е2 – стойкость к пластической деформации;

Ip – ток дугового разряда; Iд – ток дуги;

Iф.к – ток на фокусирующей катушке;

Iс.к – ток на стабилизирующей катушке;

I – интенсивность износа покрытия;

IпV – интенсивность износа покрытия по объему;

Кр – коэффициент распыления;

L – расстояние от катода/мишени до подложки; N – мощность магнетронного разряда;

N2 – содержание азота в газовой смеси;

PN2 – давление реакционного газа азота; Тc – температура слоя покрытия;

Тпл – температура плавления материала покрытия; Тпр – продолжительность процесса осаждения; Тнач.с – начальная температура слоя покрытия; TiNн.с – наноструктурированный TiN слой покрытия; TiNп.с – поликристаллический TiN слой покрытия;

TiNЭДИ – TiN слой покрытия, сформированного электродуговым испарением;

TiNМР – TiN слой покрытия, сформированного магнетронным распылением;

TiNкомб – TiN слой покрытия, сформированного комбинированным методом – с одновременным и/или попеременным использованием различных источников плазмы;

8

Тохл.вод – температура воды, охлаждающей катод/мишень в процессе испарения/распыления;

Тподл – температура подложки; Тподсл – температура подслоя;

tи.о – продолжительность ионной очистки; Р – давление газовой смеси;

SRC – рассчитываемая величина для оценки адгезии покрытия к подложке;

Vc-TiN – объемная доля кубической c-TiN фазы; Vнагр.подл – скорость нагрева подложки;

Vнагр.с – скорость нагрева слоя покрытия;

Uсм – напряжение смещения на подложке; Uвыс – высокое напряжение;

Wе – упругое восстановление;

s – ориентированные микронапряжения; m – массовый износ;

σт – термическое напряжение – термическая составляющая остаточных напряжений;

σвн – внутренние напряжения; αс – коэффициент термического расширения слоя покрытия;

αподл – коэффициент термического расширения подложки; β – поверхностные микронапряжения КР, условно оцениваемые по

уширению дифракционного пика;

ZrN МР слой – ZrN слой покрытия, сформированного магнетронным распылением;

ZrN ЭДИ слой – ZrN слой покрытия, сформированного электродуговым испарением;

с.в.э. – стандартный водородный электрод; х.с.э. – хлорсеребряный электрод сравнения.

9

ВВЕДЕНИЕ

Опыт эксплуатации и результаты испытаний технологического инструмента и пар трения (ТИ и ПТ) показывают, что их преждевременный выход из строя, как правило, обусловлен невысокими износостойкими и антифрикционными (трибологическими), коррозионными и физико-ме- ханическими свойствами (ФМС) их поверхности. В России в области получения, исследования и возможностей применения в горно- и нефтедобывающей, инструментальной, ремонтной, оборонной промышленности, технологическом машиностроении, авиастроении и электронной технике ионно-плазменных пленок на основе нитридов элементов III и IV групп Периодической системы для упрочнения и защиты ТИ и ПТ постоянно проводятся в МГТУ «СТАНКИН»; НИТУ МИСиС, МГТУ им. Н.Э. Баумана; ОАО ЦНИТИ «Техномаш»; ОАО НИИВТ им. С.А. Векшинского; Самарском государственном аэрокосмическом университете им. академика С.П. Королева (Национальном исследовательском университете); УлГУ;

ВГУ и др.; за рубежом – в Scientific-Industrial Enterprise «Metal» (США); Scientific-Technical Association «Termosynthesis» (США); Scientific-Educa- tional Center of SHS (США); Frederick Seitz Materials Research Laboratory and Department of Materials Science, University of Illinois (Urbana, Illinois), Research Institute for Technical Physics and Materials Science, Hungarian Academy of Sciences (Hungary); Linko¨ping University, Thin Film Division, Physics Department (Sweden); Műszaki Fizikai és anyagtudományi kutatóintézet (Hungary); National Tsing Hua University (Republic of China); Institute of Physics, Czechoslovak Academy of Science (Czechoslovakia); ХФТИ (Ук-

раина); Белорусском государственном университете (Минск). Получению пленок, анализу их свойств и применению посвящены работы С.Н. Григорьева, Е.А. Левашова, Ю.В. Панфилова, Д.В. Штанского, В.П. Табакова, В.А. Барвинка, В.И. Богдановича, В.В. Углова, В.А. Белоуса, А.Ф. Беляни-

на, М.И. Самойловича, В.П. Сергеева, P.H. Mayrhofer, L. Hultman и др.

Получение пленок на поверхности ТИ и ПТ с заданной структурой и комплексом стабильных эксплуатационных свойств является сложной задачей. Неоднородность нагрева подложки на операциях ее термической обработки и неконтролируемый перепад температур на стадиях формирования пленок решается путем введения в технологию дополнительных технологических приемов или автоматического регулирования темпера-

туры пленки за счет использования резистивного нагревательного устрой-

10