книги / Многокомпонентные наноструктурированные покрытия на основе нитридов металлов III и IV групп периодической системы для упрочнения резьбовых соединений разработка, получение, исслед
..pdf• Методика проведения механических испытаний для определения физико-механических свойств многослойных покрытий на основе двухкомпонентных слоев
Механические испытания тестовых образцов с МП на основе двухкомпонентных слоев проводили методом наноиндентации в соответствии с DIN EN ISO 14577-1 с использованием измерительной системы FISCHERSCOPE Н100С и в соответствии с Международным стандартом ISO 14577 с использованием Micro-combi tester путем математической обработки серии полученных экспериментальных кривых нагрузки/разгрузки тестового образца с однослойным или многослойным покрытием. В течение тестовой процедуры нагрузку постепенно увеличивали до заданной величины, а затем снижали до нулевого значения. Нагрузку выбирали в соответствии с правилом Buckle (глубина вдавливания индентора составляла менее 10 % от толщины слоя или МП).
Исследовали следующие характеристики: Н (ГПа) – инденторную нанотвердость; НUpl (ГПа) – пластическую твердость, учитывающую только пластическую деформацию, E* = E/(l – v2) (ГПа) – приведенный модуль Юнга, где v – коэффициент Пуассона; H/E – стойкость МП к упругой деформации; Н3/Е*2 (в дальнейшем H3/Е2) (ГПа) – стойкость МП к пластической деформации; We (%) – упругое восстановление. Ре-
зультаты измерений получали в виде распечаток и оформляли в объединенную таблицу измерений.
В связи с большим количеством в технологическом эксперименте тестовых образцов с одно- и многослойными покрытиями на основе двухкомпонентных слоев (см. табл. 2) различной толщины определяли как микротвердость слоев или МП, так и микротвердость композиции покрытие – подложка с использованием микротвердомера ПМТ-3 и динамического ультрамикротвердомера SHIMADZU DUH-211S (Япония). Отпечатки четырехгранной алмазной пирамиды с нагрузкой на инденторе 0,5; 1; 2 Н снимали на сканирующем зондовом микроскопе SolverNext, позволяющем исследовать поверхность слоев или МП в контактном, полуконтактном динамическом режиме.
На динамическом микротвердомере SHIMADZU HMV-2000 определяли динамическую микротвердость (НМ115) полученных однослойных и многослойных покрытий. Вдавливание производили трехгранной пирамидой с углом при вершине 115° с увеличением нагрузки до максимума с постоянной скоростью. После достижения максимальной
101
нагрузки ее поддерживали заданное время, затем производили процесс разгрузки. Прилагали нагрузки в 3, 100, 1000, 1961 мН.
• Методика проведения стойкостных испытаний и исследования термической стабильности режущего инструмента с однослойными и многослойными покрытиями на основе двухкомпонентных слоев при обработке стали 12Х18Н10Т и сильвинитовой руды в условиях сухого трения и воздействия агрессивной среды
Исходные данные проведения стойкостных испытаний:
диаметр сверла, мм........................................... |
8 |
тип сверла.......................................................... |
спиральное с цилинд- |
|
рическим хвостови- |
величина перемычки, мм |
ком, правое |
1,5 |
|
угол наклона винтовой канавки (α), град....... |
27 |
угол при вершине сверла (2α), град................ |
120 |
марка материала сверла Р6М5 |
|
марка вертикально-сверлильного станка ....... |
2В125 |
заточка ............................................................... |
одинарная |
число оборотов шпинделя |
|
во время испытаний, об/мин ........................... |
90 |
скорость резания (окружная скорость точки |
|
наиболее удаленной от оси сверла), м/мин ... |
V = πdn/1000 = |
|
= 3,14·8·90/1000 = 2,26 |
количество отверстий, просверленных |
|
одним сверлом, шт. .......................................... |
20 |
обрабатываемый материал: |
|
нержавеющая сталь .................................. |
12Х18Н10Т, |
сильвинитовая руда .................................. |
KCl |
толщина просверливаемого листа |
|
стали, мм ........................................................... |
5 |
количество сквозных отверстий, шт. ............. |
20 |
контролируемый параметр ............................. |
продолжительность |
|
сверления сквозных |
|
отверстий, продолжи- |
|
тельность сверления |
промежуток времени между замерами |
одного отверстия |
|
|
температуры в зоне резания, с ........................ |
20 |
102 |
|
операции подточки перемычки, повторной заточки и подточки ленточек .......не применялись
При проведении испытаний изменяли только материал однослойных и многослойных покрытий.
За износ принимали изменение геометрических параметров сверла по основным конструктивным элементам, включая режущие кромки, основные и вспомогательные поверхности. Качество обработки пластин сверлами осуществляли по форме и размеру стружки, характеру сверления (ровный, прерывистый, с вибрацией и рывками), величине осевой силы, износу геометрических конструктивных элементов сверла, характеру износа однослойных и многослойных покрытий, качеству внутренней поверхности отверстия, наличию заусенцев и смятия на выходе.
Для всех опытов толщина МП не превышала 3 мкм.
• Методика определения хрупкости однослойных и многослойных покрытий на основе двухкомпонентных слоев
Хрупкость однослойных и многослойных покрытий оценивалась на тестовых образцах по виду отпечатков, нанесенных алмазными пирамидами на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 1,962 Н (0,2 кгс) и на твердомере Виккерса при нагрузке 49,03 Н (5 кгс) в соответствии со шкалой ПИ1.2.052-78.
5.2. Функциональные свойства двухкомпонентных слоев покрытий на основе нитрида тугоплавкого металла
в зависимости от их строения, фазового и элементного состава, ТехП процесса осаждения и технологических особенностей источника плазмы
5.2.1. Трибологические и механические свойства двухкомпонентных TiN, ZrN слоев покрытий
Высокие трибологические и механические (Нµк и НМ115) свойства
соответствуют оптимальным сочетаниям ТехП и ТемП.
Существует неоднозначная зависимость ИАС и изнашивающей способности TiN, ZrN слоев покрытий по отношению к контртелу от
Нµк. С повышением Нµк улучшаются ИАС покрытий, уменьшается их изнашивающая способность по отношению к контртелу (справедлива
103
и обратная зависимость). Однако получены зависимости, при которых при постоянстве или повышении Нµк трибологические свойства TiN,
ZrN слоев покрытий ухудшаются. Причиной этого является изменение подструктуры слоев покрытий со столбчатой на глобальную и ухудшение шероховатости поверхности в связи с формированием на поверхности слоев покрытий 3D и стержневых образований с зернистой подструктурой, дефектообразование, увеличение объемной доли в TiN, ZrN слоях покрытий гексагональной фазы TiN0.3 (ZrN0.28) и напряжений КР при отклонении ТехП от оптимальных значений.
Наноструктурированные TiN, ZrN слои покрытий, сформированных при оптимальном сочетании ТехП, обладают высокими механическими свойствами, уникальным комплексом ИАС и минимальной изнашивающей способностью по отношению к контртелу (табл. 6).
Таблица 6
Физико-механические и трибологические свойства TiN, ZrN слоев покрытий в зависимости от типа источника плазмы (материал – Ст3)
Показатель |
|
Слой покрытия/метод осаждения |
|||
TiN/МР |
|
ZrN/МР |
TiN/ЭДИ |
ZrN/ЭДИ |
|
|
|
||||
Нµк , ГПа |
18 |
|
18 |
27 |
23 |
|
|
|
|
|
|
НМ115, ГПа |
0,6 |
|
0,7 |
0,8 |
0,9 |
f |
0,08 |
|
0,08 |
0,08 |
0,06 |
Мтр, Н·м |
0,09 |
|
0,10 |
0,10 |
0,07 |
∆m·10–3, мг |
0,1 |
|
0,4 |
2,9 |
6,0 |
Iпm ·10–5, мг·Н–1·м–1 |
0,06 |
|
0,16 |
3,54 |
6,86 |
IпV ·10–4, мм3·Н–1·м–1 |
0,08 |
|
1,02 |
0,92 |
0 |
dп, мм |
0,52 |
|
0,44 |
0,38 |
0,57 |
V к·10–3, мм·с–1 |
0,70 |
|
0,59 |
0,51 |
0,77 |
IкV ·10–8, мм3·Н–1·м–1 |
0,61 |
|
0,33 |
0,18 |
0,91 |
104
5.2.2. Коррозионные свойства двухкомпонентных TiN, ZrN слоев покрытий в зависимости от ТехП осаждения
итехнологических особенностей источника плазмы
Врезультате выборочных коррозионных испытаний TiN, ZrN слоев покрытий, полученных методом ЭДИ и МР при различном Р (0,8; 1,0; 1,2 Па), определена их эффективность по снижению плотности то-
ка коррозии (iкор) и тока в пассивном состоянии (iпас) твердого сплава ВК8 (табл. 7, рис. 31).
Таблица 7
Коэффициенты торможения процессов растворения TiN, ZrN слоев покрытий, полученных методами ЭДИ и МР
(б.п. и п. – без и с покрытием)
Показатель |
|
Р = 0,8 Па |
|
|
Р = 1,0 Па |
|
|
Р = 1,2 Па |
|
|||||
TiN |
ZrN |
TiN |
ZrN |
TiN |
ZrN |
TiN |
ZrN |
TiN |
ZrN |
TiN |
ZrN |
|||
|
|
|
ЭДИ |
ЭДИ |
МР |
МР |
ЭДИ |
ЭДИ |
МР |
МР |
ЭДИ |
ЭДИ |
МР |
МР |
iб.п |
/ iп |
, раз |
317 |
1500 |
4,7 |
27 |
641 |
3190 |
22 |
208 |
150 |
161 |
7,7 |
15 |
кор |
кор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
iб.п |
/ iп |
, раз |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
пас |
пас |
|
354 |
685 |
6,6 |
47 |
643 |
2180 |
362 |
240 |
208 |
218 |
43,6 |
16 |
при |
|
|||||||||||||
Е = 0,2 В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Ti, ат.% |
47,31 |
– |
– |
52,8744,22 |
– |
– |
52,6849,08 |
– |
– |
53,87 |
||||
Zr, ат.% |
– |
44,7 |
51,74 |
– |
– |
44,2351,10 |
– |
– |
46,27 |
51,95 |
– |
|||
N2, ат.% |
52,69 |
55,3 |
48,26 |
47,1355,7855,77 48,90 |
47,6250,9253,73 |
48,05 |
46,13 |
Потенциодинамические кривые для образцов с TiN, ZrN слоями покрытий смещены в область меньших анодных токов. Худшими защитными свойствами обладают TiN, ZrN слои покрытий, полученные при Р = 1,2 Па. По эффективности торможения анодного тока наибольшей коррозионной стойкостью обладают плотные однофазные наноструктурированные TiN, ZrN слои покрытий на основе c-TiN фазы, полученные при Р = 1,0 Па. Образование и увеличение несплошности поверхности и объемной доли гексагональной TiN0.3 (ZrN0.28) фазы, уменьшение поликристаллической фазы при любом отклонении Р от оптимального значения снижают iкор, iпас и коррозионную стойкость TiN, ZrN слоев покрытий. TiN, ZrN слои покрытий, полученные
105
а
б
в
г
Рис. 31. Поляризационные кривые образца из ВК8 со слоями покрытий: TiN (а, б) и ZrN (в, г), сформированными МР (а, в) и ЭДИ (б, г) при различном давлении. Е – потенциал коррозии, х.с.э. – хлорсеребряный электрод сравнения
106
методом ЭДИ, более эффективно уменьшают iкор и iпас, по сравнению с TiN, ZrN слоями покрытий, полученными методом МР. При незначительном отличии фазового состава сравниваемых покрытий бóльшая напряженность и меньшая толщина TiN, ZrN слоев покрытий, полученных методом МР, является причиной их меньшей коррозионной стойкости. Уникальные коррозионные свойства наноструктурированных ZrN слоев покрытий, сформированных методом ЭДИ, объяснимы более высокой индивидуальной инертностью к 5 % NaOH.
5.2.3.Физико-механические, трибологические
иадгезионные свойства TiN, ZrN слоев покрытий
Полученные многофакторные графики зависимостей структурных (размер ОКР и деформация КР), фазовой (объемная доля основной с-TiN (с-ZrN) фазы покрытий), физико-механических (сопротивление пластической деформации и упругое восстановление), адгезионных, износостойкой (интенсивность износа покрытия по объему) и антифрикционной (коэффициент трения) характеристик TiN слоя покрытия позволяют заключить:
1. На ФМС и трибологические свойства, изнашивающую способность TiN, ZrN слоев покрытий по отношению к контртелу оказывают влияние объемные доли входящих фаз, направление преимущественной кристаллографической ориентации, деформация КР, степень текстурированности и размер ОКР, изменяемые под влиянием ТехП
иТемП процесса осаждения.
2.Размер ОКР = 14…28 нм с-TiN (с-ZrN) фазы сформированных покрытий, свидетельствующий об их наноструктурном состоянии, оказывает неоднозначное влияние на ФМС TiN, ZrN слоев покрытий
идолжен рассматриваться в совокупности с ТехП процесса осаждения, структурными и фазовыми характеристиками покрытий.
3.Неравномерное изменение Н и Е и, как следствие, ухудшение
стойкости к упругой деформации разрушения Н/Е, сопротивляемости пластической деформации HUpl3/Е*2 и упругого восстановления Wе вызваны увеличением размера ОКР, изменением текстуры слоя покрытия с однона двухкомпонентную, снижением степени его текстурированности, разноименной и значительно отличающейся по величине де-
формации КР основной c-TiN (с-ZrN) и дополнительной h-TiN0,3
(h-ZrN0,28) фаз.
107
4.Рост f и Мтр, увеличение износа TiN, ZrN слоев покрытий и их изнашивающей способности по отношению к контртелу вызваны, кроме вышеприведенных структурных характеристик, увеличением неоднородности и дефектности слоев покрытий, уменьшением их фазовой характеристики – объемной доли основной c-TiN (с-ZrN) фазы, а также формированием на их поверхности различных образований, размер, структура и дефектность которых зависит от степени отклонения ТехП
иТемП от оптимальных величин.
5.Многократное увеличение размеров несплошности поверхности TiN, ZrN слоев покрытий; разрушение их элементов; изменение цвета,
азначит, и состава покрытия, вызванные неудовлетворительными ТехП и ТемП, приводят к значительному ухудшению ФМС и трибологических свойств TiN, ZrN слоев покрытий, увеличению их изнашивающей способности по отношению к контртелу.
6.Вследствие невысоких значений всех напряжений они не относятся к основным причинам изменения свойств TiN, ZrN слоев покрытий. Одной из основных причин упрочнения материала покрытия является ее наноструктурное состояние.
7.На ФМС и ИАС TiN, ZrN слоев покрытий оказывает влияние направление преимущественного кристаллографического ориентирования их основных фаз (табл. 8). Оптимальное сочетание ФМС, минимальный износ контртела и минимальный f соответствует слоям покрытий с направлением кристаллографического ориентирования ос-
новной фазы c-TiN (c-ZrN) – (111) и максимальным содержанием N2 в покрытиях.
Таблица 8
Зависимость ФМС и ИАС TiN, ZrN слоев покрытий от направления преимущественного кристаллографического ориентирования входящих фаз
Тип текстуры |
Н/Е |
H3/E2, ГПа |
Wе, % |
IпV , ·10–4 |
IкV , ·10–8 |
f |
||
мм3·Н–1·м–1 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|||
(111) |
TiN |
0,1 |
0,64 |
68 |
0,08 |
0,61 |
0,08 |
|
(311) |
TiN |
0,14 |
0,45 |
9 |
2,96 |
12,09 |
0,18 |
|
(101) |
TiN0,3 |
0,14 |
0,64 |
9 |
25,13 |
26,07 |
0,12 |
|
(111) |
ZrN |
0,14 |
1,31 |
76 |
0,12 |
0,33 |
0,08 |
|
(200) |
ZrN |
0,06 |
0,14 |
55 |
3,5 |
3,77 |
0,11 |
|
(002) |
ZrN0,28 |
0,08 |
0,23 |
53 |
26,78 |
12,7 |
0,25 |
108
В связи со сложностью и многообразием процессов, участвующих в формировании TiN, ZrN слоев покрытий, уникальным комплексом ФМС и адгезионных свойств обладают наноструктурированные TiN, ZrN слои покрытий на основе (111)c-TiN ((111)с-ZrN) фазы с минимальной объемной долей (101)h-TiN0,3 ((002)h-ZrN0,28) фазы, размером ОКР = 10…20 нм, равномерно зернистой поверхностной структурой с равноосными зернами, минимальной дефектностью и шероховатостью, максимальной степенью текстурированности, сформированные при оптимальных ТехП и ТемП: Тс = = (0,200…0,225)Тпл
(табл. 9).
Таблица 9
Зависимость ФМС и ИАС TiN, ZrN слоев покрытий от направления преимущественного кристаллографического ориентирования входящих фаз
Покрытие/метод |
Н, ГПа |
Е, ГПа |
Н/Е |
HU 3pl /Е*2, ГПа |
Wе, % |
Sотп, ·105 мкм2 |
осаждения |
|
|
|
|
|
|
(111)TiN/МР |
35 |
340 |
0,10 |
0,64 |
68 |
5,21 |
(111)ZrN/МР |
31 |
226 |
0,14 |
1,31 |
76 |
2,15 |
|
|
|
|
|
|
|
(111)TiN/ЭДИ |
36 |
387 |
0,09 |
0,31 |
64 |
0,94 |
(111)ZrN/ЭДИ |
30 |
314 |
0,10 |
0,46 |
62 |
0,86 |
Примечание. Для всех покрытий SRC = 0 и VDI-3198 – HF-1.
При незначительном понижении ТемП до Тс = (0,200…0,225)Тпл у сформированных TiN, ZrN слоев покрытий наблюдается значительный разброс ФМС (Е = 197…360 ГПа; Н = 26…29 ГПа; Н/Е =
= 0,08…0,14; HU 3pl /Е*2 = 0,14…0,39 ГПа и Wе = 9…62 %), ухудшение
трибологических |
свойств |
(f |
= 0,07…0,12; Мтр = 0,09…0,13 |
нм; |
∆m = 7,1…39,0 |
мг; Iпm |
= |
9,37…44,57·10–5 мг·Н–1·м–1 и IпV |
= |
= 0,48…7,59·10–4 мм3·Н–1·м–1) и увеличение изнашивающей способности поликристаллических TiN, ZrN слоев покрытий по отношению к контр-
телу ( IкV = 0,88…51,59·10–8 мм3·Н–1·м–1 и Vк = 0,84…2,11·10–3 мм·с–1.
Определенные в главах 3, 4 структурные и фазовые изменения в зависимости ТемП осаждения позволили выявить многочисленные причины ухудшения функциональных свойств TiN, ZrN слоев покрытий,
109
к которым относятся: увеличение размера ОКР; уменьшение объемной доли основной кубической фазы; анизотропия скоростей формирования по различным направлениям, приводящая к смене однокомпонентной текстуры на двух- и многокомпонентную и разупорядочиванию структуры слоя покрытия, уменьшение степени текстурированности, увеличение количества и размеров поверхностных структурных образований с зернистой подструктурой и рост ориентированных напряжений в TiN, ZrN слоях покрытий.
При дальнейшем уменьшении ТемП до Тс < 0,212Тпл деградация функциональных свойств TiN, ZrN слоев покрытий вызвана увеличением размера ОКР, ростом объемной доли гексагональной фазы и фазовым переходом ее из дополнительной во вторую основную фазу, увеличением деформации КР и значительным уменьшением Т.
Корреляционная связь между ТехП и ТемП процесса МР и ЭДИ, структурой, направлением преимущественного кристаллографического ориентирования, фазовым составом, ФМС и трибологическими свойствами TiN, ZrN слоев покрытий позволяет варьировать их структуру и свойства для получения многофункциональных покрытий различного практического применения.
5.2.4. Общие закономерности зависимости функциональных свойств двухкомпонентных TiN и ZrN слоев покрытий
от их строения, фазового и элементного состава, ТехП процесса осаждения и технологических особенностей источника плазмы
На механические и трибологические свойства TiN, ZrN слоев покрытий оказывает влияние как их материал, так и технологические особенности источника плазмы. TiN, ZrN слои покрытий, сформированных ЭДИ, обладают большей микротвердостью, однако худшими износостойкими свойствами и незначительно большей изнашивающей способностью по отношению к контртелу, по сравнению с TiN, ZrN слоями покрытий, сформированных МР. Полученные результаты позволяют судить о том, что трибологические свойства TiN, ZrN слоев покрытий определяются не столько их микротвердостью, сколько однородностью, дефектностью и шероховатостью их поверхности, зависящих от типа и количества источников плазмы, ТехП и ТемП процесса осаждения, материала слоя покрытия.
110