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

Таблица 3 . 2 3

Результаты промышленных испытаний фрез с многокомпонентной МП на основе Ti-B-N слоев, сформированных после предварительной обработки подложки АИИ (вертикально-фрезерный станок 6Р13)

Экспериментальные данные показывают, что многокомпонентные МП на основе Ti-B-Si-N, Ti-B-N и Ti-Si-N слоев с оптимальными функциональными свойствами формируются в определенном интервале ТехП, причем значительную роль играет температура и продолжительность предварительного нагрева инструмента в процессе его очистки и активизации. Оптимальным является вновь разработанный способ продолжительной равномерной по сечению инструментаипартренияпредварительнойеготермическойобработки.

Упрочненные резцы РС-14 и коронки ДУ-42 с многокомпонентными многослойными пленками на основе TiхZr1–хN слоев, сформированных ЭДИ и комбинированным методом, показаны на рис. 3.35. Результаты промышленных испытаний резцов РС-14 проходческого комбайна «Урал-20Р» приведены в табл. 3.24.

Рис. 3.35. Резец РС-14 с МП (а) на основе TiхZr1–хN слоев – желтый цвет,

на основе многокомпонентной многослойной TiC-TiхZr1–хN-TiC пленки – серый цвет; б) коронка ДУ-42, упрочненная МП на основе TiхZr1–хN слоев

111

Установлено, что за текущий момент времени с начала установки резцов в ходе проходки камер по пласту Кр-II количество добытой руды составило 5050 т, изношено 5 обычных резцов РС-14 и 3 резца с МП на ос-

нове TiхZr1–хN слоев.

Согласно полученным данным определен объем руды, приходящийся на 1 обычный резец: 50505 =1010 т, на 1 упрочненный резец: 50503 =1683,3 т.

Стойкость упрочненного резца РС-14 по отношению к обычному составляет

1683,31010 =1,67 раза.

Сравнительная диаграмма добычи руды обычными резцами и резцами РС-14 с МП на основе TiхZr1–хN слоев приведена на рис. 3.36.

Рис. 3.36. Сравнительная диаграмма добычи калийной руды неупрочненными резцами и резцами РС-14 с МП на основе TiхZr1–хN слоев, сформированных ЭДИ, при обработке пласта Кр-II

Установлено, что за текущий момент времени с начала установки резцов РС-14 в ходе проходки камер по пласту Кр-II количество добытой руды составило 4450 т, изношено 8 неупрочненных резцов РС-14 и 7 резцов с многокомпонентной многослойной TiC-TiхZr1–хN-TiC пленкой, сформированной комбинированным методом.

В соответствии с полученными данными определен объем добытой руды, приходящийся на 1 неупрочненный резец: 44508 = 556,25 т, на 1 уп-

рочненный резец: 44507 = 635,7 т. Увеличение стойкости упрочненного резца по отношению к обычному составляет 556,637,525 =1,14 раза.

113

Диаграмма добычи руды резцами РС-14 с многокомпонентной многослойной TiC-TiхZr1–хN-TiC пленкой при обработке пласта Кр-II в сравнении с обычными резцами приведена на рис. 3.37.

Рис. 3.37. Сравнительная диаграммадобычи калийной руды неупрочненными резцами и резцамиРС-14 с TiC-TiхZr1–хN-TiC пленкой, сформированнойЭДИ, приобработке пласта Кр-II

Маркировка резцов неупрочненных и резцов РС-14 с МП на основе TiхZr1–хN слоев при обработке мягкого пласта аналогична маркировке при обработке твердого Кр-II пласта.

Установлено, что за текущий момент времени с начала установки неупрочненных резцов в ходе проходки камер по пласту АБ объем добытой руды составил 5796 т, изношено 15 обычных резцов РС-14. За текущий момент времени с начала установки резцов с МП на основе TiхZr1–хN слоев, в ходе проходки камер по пласту АБ объем добытой руды составил 16 228,8 т, изношено 15 резцов РС-14 с МП на основе TiхZr1–хN слоев.

Согласно полученным данным определен объем добытой руды, при-

ходящийся на 1 обычный резец: 579615 = 386,4 т, на 1 упрочненный резец:

16228,8 =1081,92 т. Повышение стойкости упрочненного резца по отно15

шению к обычному сверлу составляет 1081,92386,4 = 2,8 раза.

Сравнительная диаграмма добычи неупрочненным резцом РС-14 и резцом РС-14 с МП на основе TiхZr1–хN слоев, сформированных ЭДИ, приведена на рис. 3.38.

114

К наиболее эффективным для обработки сильвинитовой руды относятся МП на основе TiхZr1–хN и Ti1–хAlхN слоев, сформированных ЭДИ и комбинированным методам по разработанным оптимальным технологиям

(см. рис. 3.39).

Обобщение экспериментальных результатов лабораторных и промышленных испытаний технологического инструмента и пар трения с многослойными пленками. Продемонстировано, что впервые разработанные и полученные двухкомпонентные и многокомпонентные многослойные пленки обладают уникальным комплексом высоких ФМС, ИАС, термических и коррозионных свойств и минимальной изнашивающей способностью по отношению к контртелу.

Упрочнение деталей топливорегулирующей аппаратуры авиационного двигателя и подшипников скольжения для высокоэнергетической машины позволяет значительно увеличить износостойкость поверхности и эксплуатационную надежность упрочняемых деталей.

Стойкость резца РС-14 с МП на основе TiхZr1–хN слоев при обработке пласта Кр-II увеличилась в 1,67 раза, пласта АБ – в 2,8 раза; резца РС-14 с TiC-TiхZr1–хN-TiC пленкой при обработке пласта Кр-II – в 1,14 раза, коронок ДУ-42 с TiC-TiхZr1–хN-TiC и Ti1–хAlхN пленкой – более чем в 2 раза.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3

1.Функциональные свойства МП на основе двух- и трехкомпонетных слоев нитридов элементов III и IV групп Периодической системы: ФМС, ИАС, адгезионные и коррозионные свойства, стойкость ТИ и ПТ, хрупкость, трещиностойкость, стойкость к отслаиванию зависят от строения и фазового состава слоев. При уменьшении размера кристаллитов

имикронапряжений КР, смене текстуры с двухили многокомпонентной на однокомпонентную, повышении степени текстурированности, термической стабильности входящих фаз и объемных долей кубических c-TiN,

c-ZrN и c-TiZrN2 фаз в слоях на основе нитридов тугоплавких металлов

(TiN, ZrN и TiхZr1–хN) и гексагональных h-Ti2AlN и h-Ti3Al2N2 фаз улуч-

шаются ФМС и коррозионные свойства слоев на основе нитридов туго-

плавкого и легкоплавкого металлов (Ti1–хAlхN) и МП в целом. Для изучения функциональных свойств использованы комплексные методики испытаний поликристаллических и наноструктурированных слоев МП.

2.Функциональные свойства МП на основе трехкомпонентных слоев нитридов элементов III и IV групп Периодической системы зависят от эле-

117

4. ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ДВУХ- И ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЕВ НИТРИДОВ

ЭЛЕМЕНТОВ III И IV ГРУПП ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ С ОДНОВРЕМЕННЫМ И ПОПЕРЕМЕННЫМ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

РАЗЛИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПЛАЗМЫ

4.1. ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЭКОНОМИЧНОЙ МНОГОСЛОЙНОЙ

TI-•TINП.С-TINН.С•-TINН.С ПЛЕНКИ С ГРАДИЕНТОМ СТРУКТУРЫ СЛОЕВ

ИПОВЫШЕННОЙ СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬЮ К ИСТИРАЮЩИМ

ИДИНАМИЧЕСКИМ ТЕПЛОСИЛОВЫМ НАГРУЗКАМ

Основная задача разработки технологии – получение высокоэкономичной многослойной Ti-•TiNп.с-TiNн.с•-TiNн.с пленки с комплексом стабильных физико-механических и пластичных свойств в низкотемпературных условиях ЭДИ для увеличения сопротивления поверхности ТИ и ПТ с низкой температурой отпуска действию истирающих и динамических теплосиловых нагрузок. В соответствии с разработанной технологией может быть получена высокоэкономичная многослойная Zr-•ZrNп.с-ZrNн.с•-ZrNн.с пленка.

Технология получения многослойной Ti-•TiNп.с-TiNн.с•-TiNн.с пленки включает в себя:

–предварительную очистку ТИ и ПТ и тестовых образцов до вакуумной камеры в соответствии с технологией, приведенной в приложении 1;

–кратковременную ионную очистку – нагрев ТИ и ПТ и тестовых

образцов со скоростью нагрева 70 К/мин до Тс = 650 К перед осаждением подслоя;

–осаждение на поверхность ТИ и ПТ и тестовых образцов в среде ар-

гона Ti подслоя при Uсм = 200 В, Р = 1,0 Па, Iд = 80 А с окончательной температурой после его осаждения не ниже 615 К;

–осаждение первого (TiNп.с слоя) из чередующихся слоев в газовой смеси Ar и N2 с содержанием N2 не менее 90 % при постепенном увеличе-

нии Тс до 645 К с Vнагр.с = 3,2…4,4 К/мин за счет увеличения либо Uсм до 250 В, либо Р до 1,2 или 1,4 Па, либо Iд до 90 А;

– осаждение второго (TiNн.с слоя) из чередующихся слоев в газовой смеси Ar и N2 с содержанием N2 в количестве не менее 90 % при постепен-

119

ном увеличении Тс до 725 К с Vнагр.с = 3,7 К/мин при ТехП: Uсм = 200 В,

Iд = 80 А, Р = 1,0 Па, L = 270 мм;

– осаждение чередующихся слоев TiNп.с-TiNн.с, которое повторяют по крайней мере два раза, причем последним наносят TiNн.с слой.

В отличие от существующих способов нагрев ТИ и ПТ, осаждение на них Тi подслоя в среде Ar и чередующихся слоев TiNп.с и TiNн.с осуществляют при заданной температуре и скорости ее повышения. Конструкция многослойной Ti-•TiNп.с-TiNн.с•-TiNн.с пленки с градиентом структуры позволяет в низкотемпературных условиях ЭДИ улучшить как сопротивление ТИ и ПТ к истирающим и теплосиловым нагрузкам, так и ее стойкость к упругой деформации разрушения, пластической деформации в условиях действия знакопеременных истирающих и теплосиловых нагрузок.

Нагрев ТИ и ПТ до Тподл = 650 К, осуществляемый в процессе ионной очистки со скоростью 70 К/мин, позволит термически активировать поверхность ТИ и ПТ перед осаждением подслоя пленки.

Нанесение на очищенную и термически активированную поверхность ТИ и ПТ титанового подслоя, обладающего значительной кристаллохимической совместимостью с последующим TiN слоем материалом ТИ и ПТ с естественным понижением его до температуры не ниже 615 К, позволит снизить напряжения на границе раздела и повысить адгезию между ними.

Нанесение TiNп.с слоя с удовлетворительными физико-механичес- кими (Н = 27 ГПа, We = 69 ГПа, H/E = 0,12 и H3/E2 = 0,8) и высокими пластичными свойствами (Е = 209 ГПа, близким к ТИ и ПТ) приведет к повышению сопротивляемости ТИ и ПТ к воздействию динамических силовых нагрузок.

Нанесение TiNн.с слоя с оптимальным комплексом физико-механи-

ческих (Н ≥ 35 ГПа, We ≥ 70 ГПа, H/E = 0,1…0,2 и H3/E2 = 0,8…1,3) и удов-

летворительных пластичных свойств (Е = 200…350 ГПа) обеспечит высокую трещиностойкость и износостойкость, которые повысят сопротивляемость ТИ и ПТ к воздействию динамических истирающих и теплосиловых нагрузок за счет равномерного их распределения по поверхности пленки.

Осаждение слоев испарением двух Ti катодов позволит увеличить степень ионизации парового потока и скорость протекания плазмохимических реакций, снизить неравновесность процесса осаждения многослойной

Ti-•TiNп.с-TiNн.с•-TiNн.с пленки.

Осаждение поликристаллических TiNп.с и наноструктурированных TiNн.с слоев необходимо повторять для повышения сопротивляемости к действию значительных истирающих и теплосиловых нагрузок. Количество

120