работа (стр. 3 из 5)
Рис.3 Состав и микроструктура покрытий (Ti,Nb)N и (Ti,Zr)N в зависимости от давления азота в камере.
Таблица 3
Элементарный состав покрытия (Ti,Zr)N в зависимости от давления азота.
| Давление азота, (Па) | Ti (ат.%) | Zr (ат.%) | N (ат.%) | O (ат.%) | С (ат.%) |
| 0.67; 1.33 2.0 | 13 10 | 24 28 | 62.4 58 | 0.2 0.3 | 0.6 0.7 |
Микротвердость покрытий (Ti, Zr) N и (Ti,Nb) N как функции долии Zr / (Zr+Ti) и Nb / (Nb+Ti) показана на рис. 4. Эти результаты были получены от бинарных азотистых образцов и от двух различных образцов тройных нитридов нанесенных тем же самым методом, однако обнаружено различие состава из-за их различных позиций в камере. В обоих случаях микротвердость самая высокая в некотором промежуточном составе между чистым TiN в одном экстремуме, и ZrN или NbN в другой [4].
Рис.4 Микротвердость покрытий (Ti,Nb)N и (Ti,Zr)N как функция от состава.
В работе [3] твердость определялась царапаньем образца по средствам возвратно-поступательного трения. Процесс царапанья был выполнен, используя 10-миллиметровый Ni-Cr стальной шарик под давлением 1 Н. Возвратно-поступательное движение совершалось с частотой 1 Гц, амплитудой 5 мм за 500 циклов. Коэффициент трения и объемная степень износа был рассчитан, как средние числа по трем испытаниям. Царапина и дорожки износа были исследованы при помощи растрового электронного микроскопа (РЭМ). В Таблице 4 показы средний коэффициент трения (m) и объемную степень износа (k) для систем покрытий Ti/(Ti,Zr)N и Zr/(Ti,Zr)N.
Таблица 4
Износ и свойства систем покрытий Ti/(Ti,Zr)N и Zr/(Ti,Zr)N, нанесенных вакуумно-дуговым методом на полимерную подложку (полисульфон).
| Покрытие | m | k, 106 мм3/нм | Качественный анализ дорожек износа РЭМ |
| Ti/(Ti,Zr)N Zr/(Ti,Zr)N | 0.34 0.52 | 82.2 103.3 | Покрывая раскалывается, деформируется и разрушается в пределах дорожки царапины |
Исходя из данных, приведенных в таблице, можно заключить, что самый низкий коэффициент трения и самая низкая объемная степень износа наблюдаются у покрытия Ti / (Ti, Zr)N
Подводя итоги, можно сказать, что тройные азотистые покрытия, нанесенные вакуумно-дуговым методом, имеют однофазную структуру твердого раствора, и данный факт не зависит от материала подложки. Их параметры кристаллической решетки находятся между значениями сходных им двойных систем. Самое твердое из тройных покрытий тверже, чем любое подобное ему двойное покрытие.
2. Методика эксперимента.
2.1. Объекты исследования.
В работе исследовались покрытия (Ti,Zr)N, нанесенные на сталь У8А. Формирование покрытия осуществлялось на установке ВУ-2МБС по технологии КИБ в две стадии:
1) Обработка поверхности подложки потоком плазмы Ti (так называемая стадия “ионной” очистки) при следующих режимах:
- вакуум в камере 10-3 Па
- ток дуги титанового катода 100 А
- потенциал на подложке 100 В
- продолжительность ионной очистки 60 сек.
2) Осаждение покрытия (Ti,Zr)N осуществлялось при следующих режимах:
- давление азота 1×10-1 Па
- ток дуги катодов Ti и Zr 100 А
- величины потенциала подлодки приведены в таблице 5
- время осаждения 10 мин.
Таблица 5
Толщина покрытия в зависимости от опорного напряжения.
| Uоп , В | 0 | 30 | 60 | 120 | 150 | 210 |
| Образец | L55 | L38 | L42 | L50 | L46 | L49 |
| Толщина покрытия, мкм | 7.5±0.5 | 6.6±0.5 | 6.8±0.5 | 6.8±0.5 | 7.0±0.5 | 7.1±0.5 |
Разогрев образцов в процессе формирования покрытия не превышал 450 оС.
2.2. Рентгеноструктурный анализ
Метод рентгеноструктурного анализа базируется на анализе углового распределения монохроматического рентгеновского излучения, дифрагировавшего в поверхностных слоях образца. Регистрируемое распределение при симметричной схеме эксперимента, когда угол падающего и отраженного луча по отношению к образцу равны, несет усредненную информацию о структурном состоянии поверхностного слоя толщиной несколько микрон. Для анализа более тонких слоев обычно используют случай касательного падения, под углом около 1гр., анализирующего пучка. Эта схема накладывает довольно высокие требования к качеству поверхности. Такой метод называется скользящей рентгеновской дифракцией (СРД).
Исследования проводились на дифрактометре ДРОН-3 в медном (СuКa) излучении. Следует отметить, что при использовании стандартной методики симметричной съемки (фокусировка по Брэггу-Брентано) глубина проникновения рентгеновских лучей на порядок и более превышает глубину проникновения ионов в мишень. Уменьшить глубину проникновения рентгеновских лучей в образец можно изменяя длину волны, либо угол падения рентгеновских лучей на образец, что реализуется в методике СРД.
Расчет межплоскостных расстояний d проводился по формуле:
, (1)где l – длина волны рентгеновского излучения;
2Q – угол между падающим и отраженным лучами.
Абсолютная погрешность определения межплоскостных расстояний вычислялась по формуле:
, (2)где Dd – погрешность определения межплоскостного расстояния;
DQ – погрешность измерения угла отражения
2.3. Измерение микротвердости.
Измерение микротвердости массивных образцов железа и стали выполнялось на приборе ПМТ-3. В качестве индентора использовалась алмазная пирамида с углом между гранями 136 гр. Измерение микротвердости проводилось при нагрузке на индентор от 50 г до 200 г.. Чтобы получить сопоставимые результаты в различных сериях измерений, время нагружения (15 с) и время выдержки под нагрузкой (15 с) были постоянными. Расчет микротвердости HV и глубины отпечатка h проводился по известным выражениям /92/:
, (3) 
, (4)где P– нагрузка на индентор,
c – длина диагонали отпечатка,
a– угол при вершине пирамидки индентора.
2.4. Трибологические исследования
Ионная имплантация приводит к изменению трибологических характеристик слоев материала, толщиной от долей до сотен микрометров. Для исследования таких тонких слоев обычные трибологические установки непригодны, поэтому исследования фрикционных характеристик были выполнены на специально разработанном на кафедре физики твердого тела трибометре ТАУ-1М. Этот трибометр, принципиальная схема которого показана на рис. 5, позволяет удалять очень тонкие слои материала и измерять при этом возникающий момент трения.
Рис.5 Схема трибологических испытаний при помощи трибометра ТАУ-1М
Сила трения выражается через коэффициент трения известной формулой:
, (5)где m– коэффициент трения
F – сила трения
P – нагрузка на индентор
Эта формула позволяет определять относительное значение коэффициента трения. Для нахождения абсолютного значения m строился градуировочный график зависимости величины сигнала самописца трибометра от прилагаемых к рычагу известных по величине моментов сил. Полученные градуировочные графики с большой точностью имели вид прямых. Зная угол наклона градуировочного графика, можно определить абсолютное значение коэффициента трения по формуле:
К tga,
m = ------ , (6)
m
где K – величина сигнала самописца трибометра
tga – тангенс угла наклона градуировочной прямой.
m - масса нагрузки.
3. Результаты и их обсуждение
3.1. Рентгеноструктурный анализ
По результатам рентгеноструктурного анализа образцов было установлено, что в процессе нанесения покрытий Ti-Zr-N происходит формирование твердых растворов. Известно, что в тройных нитридных системах IV-VI групп переходных металлов существуют непрерывные ряды твердых растворов (MeIxMeII1-x)N с гранецентрированной кубической структурой типа NaCl. Такие твердые растворы могут рассматриваться как квази-двойные системы двух кубических нитридов, например d-(MeI)N и d-(MeII)N.
В покрытиях Ti-Zr-N были обнаружены однофазные тройные нитриды. Межплоскостные расстояния для соответствующих кристаллографических плоскостей, а также расположение дифракционных максимумов для покрытий (Tix,Zr1-x)N, как показано в Таблице 6, находятся между значениями, характерными для двойных TiN и ZrN.
Таблица 6
Положение дифракционных максимумов, структура и межплоскостные расстояния для систем тройных нитридов.
| Покрытие | Uоп , В | Фазовый состав | (111) | d,Å | (200) | d,Å | (220) | d,Å | (311) | d,Å | Ст-ра |
| 2J | 2J | 2J | 2J | ||||||||
| (Ti,Zr)N | 0 30 60 120 150 210 | d-(Ti,Zr)N d-(Ti,Zr)N d-(Ti,Zr)N d-(Ti,Zr)N d-(Ti,Zr)N d-(Ti,Zr)N | 35.2 35.4 35.3 35.0 35.1 35.1 | 2.55 2.57 2.54 2.56 2.57 2.55 | 41.2 41.2 40.8 39.7 40.9 40.3 | 2.55 2.20 2.21 1.57 1.57 1.57 | 58.8 59.2 59.0 58.8 58.9 58.7 | 1.57 1.57 1.56 1.57 1.57 1.57 | 74.0 74.2 74.1 74.0 73.9 73.9 | 1.28 1.27 1.28 1.28 1.28 1.28 | Столб. Столб. Столб. Столб. Столб. Столб. |
| TiN | ¾ | d-TiN | 36.8 | 2.44 | 42.7 | 2.12 | 62.0 | 1.49 | 74.3 | 1.28 | Столб. |
| ZrN | ¾ | d-TiN | 33.9 | 2.64 | 39.3 | 2.29 | 56.8 | 1.62 | 67.9 | 1.38 | Столб. |
Покрытия (Ti,Zr)N имеют столбчатую структуру (рис.6), подобную TiN и ZrN. В таблице 7 представлены интенсивностей основных экспериментальных линий.