Формирование нового класса износостойких композиционных покрытий с градиентным распределением элементов : отчет о НИР(заключительный) / БГУ; рук. Углов, В. В.

Abstract

Отчет 63 с., 26 рис., 5 табл., 24 источника. КОНДЕНСАЦИЯ С ИОННОЙ БОМБАРДИРОВКОЙ, ГРАДИЕНТНЫЕ ПОКРЫТИЯ, ПЛАЗМЕННЫЕ ПОТОКИ, ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ, НАПРЯЖЕНИЯ, МИКРОСТРУКТУРА, ТВЕРДОСТЬ Объектами исследования служили защитные приповерхностные слои Ti-Cr-N переменного состава, сформированные ионно-плазменным методом при комбинированном воздействии плазменных потоков переменной плотности. Целью работы являлось разработка способа формирования тройных нитридных покрытий Ti-Cr-N с градиентным распределением элементов по глубине, сформированных вакуумно-дуговым методом при комбинированном воздействии ионно-плазменных потоков переменной плотности, а также выявление особенностей структурно-фазового состояния и механических свойств. Основными методами исследований являются: электронная оже-спектроскопия, резерфордовское обратное рассеивание и вторичная ионная масспектроскопия, растровая и просвечивающая электронная микроскопия, рентгено-дифракционные исследования, измерение твердости при микро- и наноиндентировании, трибологические испытания, термический отжиг. В процессе работы использовались приборы: Микрозонд PHI-660; Сканирующий электронный микроскоп Hitachi S806; Просвечивающий электронный микроскоп Hitachi H800; Дифрактометр ДРОН 4.07; Дифрактометре D8 фирмы Bruker AXS; Микротвердомер ПМТ-3; Нанотвердомер Nano Indenter II; Трибометр ТАУ-1М. В результате исследования были установлены основные физические закономерности формирования приповерхностных слоев Ti-Cr-N переменного состава ионно-плазменным методом при комбинированном воздействии плазменных потоков переменной плотности, и получены следующие основные результаты: Разработан новый способ получения на поверхности изделий износостойких покрытий с переменным элементным составом по толщине, включающий очистку поверхностей изделий и их нагрев ионной бомбардировкой, осаждение износостойкого покрытия из плазменной фазы распылением материала с использованием двух расходуемых катодов вакуумно-дугового испарителя в среде реакционного газа, совмещение ионно-плазменных потоков распыленных материалов, отличающийся тем, что нагрев и очистка поверхности изделий осуществляют ионами хрома, а осаждение покрытия проводят в непрерывном режиме при синхронном изменения токов дуг обоих катодов, причем катоды располагают под углом друг к другу. Обнаружено, что при вакуумно-плазменном осаждении покрытий на подложку на основе железа в атмосфере азота (pN=10-1Па), отрицательном потенциале на подложке и совмещении ионно-плазменных потоков титана и хрома переменной плотности формируются покрытия на основе нитридов титана и хрома с градиентным распределением металлических компонентов по толщине. Установлено, что формирование в покрытии распределения компонентов с постоянным градиентом по толщине обусловлено процессами термической и радиационной диффузии Ti и Cr в растущем покрытии. Методами растровой и просвечивающей электронной микроскопии обнаружена зеренная микроструктура покрытий, увеличение дисперсности зерен до 10 нм и формирование дискретной структуры роста столбцов с размером 50-100 нм в покрытиях на основе нитридов титана и хрома с переменным распределением элементов по толщине в сравнении с системами постоянного состава (размер зерен 30-50 нм). При нулевом потенциале на подложке формируется неупорядоченная структура роста покрытия, а при увеличении отрицательного потенциала на подложке от 30 до 210 В формируется столбчатая структура роста покрытий и происходит увеличение поперечного размера столбцов. Методом рентгено-дифрактометрических исследований обнаружено, что сформированные покрытия являются квазибинарными системами, представляющими собой твердый раствор на основе нитридов титана и хрома с переменным соотношением титана и хрома по глубине. Установлено, что на поверхности растущего слоя происходят плазмохимические реакции между титаном, хромом и азотом, в результате которых формируется твердый раствор замещения (TixCr1-x)N с соотношением титана и хрома x = 0,60-0,84 и 0,76-0,34. Измерением твердости при наноиндентировании обнаружено повышение твердости покрытий переменного состава (21-26 ГПа) в сравнении с мононитридами TiN и CrN (20,4 и 16,8 ГПа, соответственно), а также снижение их модуля упругости (305-382 ГПа) по сравнению с нитридом титана (412 ГПа). При изменение отрицательного потенциала на подложке от 0 до 120 В твердость покрытий переменного состава увеличивается в 1,5 раза. Поведенные трибологические исследования сформированных покрытий показали, что коэффициент трения градиентных покрытий меняется в процессе трения от 0,8 до 0,5, а для покрытия, сформированного при постоянных условиях, остается постоянным (0,6). Обнаружена взаимосвязь между твердостью и коэффициентом трения покрытий. Обнаружено, что ширина трека износа градиентных покрытий меньше, чем у системы Ti0,56Cr0,44N, что свидетельствует о них более высокой износостойкости. Установлено, что система TixCr1-xN (0,60<x<0,84) обладает высокой износостойкость, обусловленной формированием у поверхности слоя TiN. Обнаружено, что в покрытиях переменного состава после изохронного отжига (1 час) в диапазоне температур 200-1000 °С элементный, фазовый состав и твердость покрытий остаются постоянными. После отжига при температуре 1000 С твердость покрытий (TixCr1-x)N, где x изменяется от 0,32 до 0,50 возрастает на 30 %. Установлено, что повышение механических свойств твердых растворов обусловлено механизмами твердорастворного и дисперсионного упрочнения. Твердость покрытий переменного состава представляет собой суперпозицию квазибинарных систем TiN-CrN представляющих собой твердые растворы переменной стехиометрии с различными механическими характеристиками. Предложена модель формирования нитридных покрытий при воздействии совмещенных ионно-плазменных потоков переменной плотности, учитывающая осаждение Ti и Cr на поверхность растущего слоя, образование монослоя из атомов Ti и Cr с различным соотношением концентрации металлических компонентов в результате протекания процессов термической и радиационной дифузии, а затем адсорбцию молекул азота, которые диссоциируют и вступают в химическую связь с образованием тройных покрытий переменного состава, представляющих собой ряд твердых растворов (TixCr1-x)N с различным соотношением Ti и Cr по толщине. А также рост покрытия при переменной интенсивности бомбардировки его ионами металлов, что приводит к формированию прерывистой структуры роста столбцов, их дроблению и уменьшению размера зерен. Внедрение полученных результатов на ОАО «Амкадор» обеспечило увеличение в 10 (в сравнении с резцом без покрытия) и в 1,5 (в сравнении с резцом с покрытием TiN) раза износостойкости режущего инструмента, изготовленного из твердого сплава Т15К6, при обработке металлических деталей (ст.20).