книги / Изучение функциональных свойств многослойных пленок на основе двух- и трехкомпонентных нитридов тугоплавких металлов и их соединений с легкоплавкими металлами и неметаллами
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
А.Л. Каменева
ИЗУЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ДВУХ- И ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ НИТРИДОВ ТУГОПЛАВКИХ МЕТАЛЛОВ И ИХ СОЕДИНЕНИЙ С ЛЕГКОПЛАВКИМИ МЕТАЛЛАМИ И НЕМЕТАЛЛАМИ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2017
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)
ISBN 978-5-398-01801-1 |
© ПНИПУ, 2017 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ................................ |
7 |
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................. |
10 |
1. МЕТОДЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ |
|
МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ |
|
ДВУХ- И ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЕВ .......................................................... |
13 |
1.1. Магнетронное распыление.............................................................................. |
13 |
1.2. Электродуговое испарение............................................................................. |
15 |
1.3. Оборудование для формирования многослойных пленок |
|
на основе двух- и трехкомпонентных слоев........................................................ |
15 |
2. МЕТОДИКИ ИЗУЧЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ |
|
МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ДВУХ-, ТРЕХ- |
|
И МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЕВ И УПРОЧНЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ............ |
20 |
2.1. Методика изучения адгезионной прочности сформированных |
|
многослойных пленок на основе двух-, трех- |
|
и многокомпонентных слоев ......................................................................... |
20 |
2.2.Методика проведения коррозионных испытаний тестовых образцов с многослойными пленками на основе двух-, трех-
и многокомпонентных слоев в растворе 5 % NaOH, из Р6М5 – |
|
в растворы 5 % NaOH; 0,1 N H2SO4 ............................................................... |
22 |
2.3.Методика проведения коррозионных испытаний тестовых образцов с многослойными пленками на основе двух-, трех-
и многокомпонентных слоев в растворе 3 % NaCl ...................................... |
23 |
2.4.Методика проведения трибологических испытаний тестовых образцов с многослойными пленками на основе двух-, трех-
и многокомпонентных слоев.......................................................................... |
25 |
2.5.Методика проведения механических испытаний для определения физико-механических свойств многослойных пленок на основе
двух-, трех- и многокомпонентных слоев..................................................... |
26 |
2.6.Методика проведения стойкостных испытаний и исследований термической стабильности упрочненных изделий в различных
эксплуатационных условиях .......................................................................... |
27 |
2.7. Методика определения хрупкости слоев и многослойных пленок |
|
на основе двух-, трех- и многокомпонентных слоев................................... |
28 |
3
2.8.Методика проведения промышленных испытаний упрочненного технологического инструмента и пар трения с однослойными
и многослойными пленками на основе двух-, трех- |
|
и многокомпонентных слоев.......................................................................... |
28 |
2.9. Физико-механические и трибологические свойства известных |
|
двух- и трехкомпонентных однослойных пленок........................................ |
31 |
3. ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ, ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ, |
|
КОРРОЗИОННЫХ И АДГЕЗИОННЫХ СВОЙСТВ МНОГОСЛОЙНЫХ |
|
ПЛЕНОКНАОСНОВЕДВУХ-, ТРЕХИМНОГОКОМПОНЕНТНЫХСЛОЕВ.... |
35 |
3.1. Изучение физико-механических, трибологических |
|
и адгезионных свойств многослойных пленок на основе |
|
двухкомпонентных TiN (ZrN) слоев.............................................................. |
35 |
3.2.Изучение физико-механических, трибологических, коррозионных
иадгезионных свойств многослойных пленок на основе
трехкомпонентных TiхZr1–хN слоев ............................................................... |
71 |
3.3. Изучение физико-механических, трибологических, коррозионных |
|
и адгезионных свойств многослойных пленок на основе |
|
трехкомпонентных Ti1–хAlхN слоев ............................................................... |
82 |
3.4. Управление физико-механическими, трибологическими, коррозионными |
|
и адгезионными свойствами многослойных пленок на основе |
|
двухкомпонентных TiN (ZrN) и трехкомпонентных TiхZr1–хN и Ti1–хAlхN |
|
слоев с градиентом структуры, фазового и элементного состава |
|
с использованием различных источников плазмы....................................... |
94 |
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
высоколегированных, углеродистых, коррозионно-стойких |
|
и жаропрочных сталей .................................................................................... |
96 |
Выводы по главе 3 ................................................................................................ |
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.............................................................. |
119 |
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
теплосиловым нагрузкам.............................................................................. |
119 |
4
4.2. Основы получения износостойкой и термодинамически устойчивой |
|
многослойной Ti-TiN-•Zr-ZrN•-Zr-•TiхZr1–хN-Zr•-TiхZr1–хN пленки |
|
с градиентом теплофизических свойств слоев........................................... |
121 |
4.3. Основы получения многокомпонентной многослойной |
|
Ti,Zr-ИБ-•TiхZr1–хN-Ti,Zr-ИБ•-TiхZr1–хN пленки со способностью |
|
слоев эффективно рассеивать энергию деформации в процессе |
|
внешнего трения............................................................................................ |
124 |
4.4. Основы получения многокомпонентной многослойной |
|
TiМР-•TiNМР-ZrNЭДИ•-TiхZr1–xNМР+ЭДИ пленки с градиентом структуры, |
|
состава и свойств слоев и высокой прочностью в условиях |
|
прерывистого резания................................................................................... |
128 |
4.5. Основы получения многокомпонентной многослойной |
|
TiЭДИ-•TiNМР-Ti1–хAlxNМР+ЭДИ•-Ti1–хAlxNМР+ЭДИ пленки с градиентом |
|
структуры слоев и повышенной износо-, ударо-, тепло-, трещино- |
|
и коррозиестойкостью................................................................................... |
130 |
4.6. Основы получения многокомпонентной многослойной |
|
TiNп.с-•TiNн.с-Ti1–хAlxNн.с•-Ti1–хAlxNн.с пленки с градиентом |
|
физико-механических, трибологических и коррозионных |
|
свойств слоев.................................................................................................. |
134 |
Выводы по главе 4 ................................................................................................ |
137 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................... |
140 |
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ .................................................................. |
142 |
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ................................................................................... |
146 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................... |
148 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Оптимальные технологии подготовки поверхности |
|
ТИ, ПТ и тестовых образцов перед осаждением многослойных пленок............. |
158 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Технология получения высокоэкономичной многослойной |
|
пленки Ti-•TiNп.с-TiNн.с•-TiNн.с методом электродугового испарения |
|
с градиентом структуры слоев и повышенной сопротивляемостью |
|
к истирающим и динамическим теплосиловым нагрузкам................................... |
169 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Технология получения многослойной |
|
Ti-TiN-•Zr-ZrN•-Zr-•TiхZr1–хN-Zr•-TiхZr1–хN пленки методом магнетронного |
|
распыления с градиентом теплофизических свойств слоев.................................. |
174 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Технология получения многослойной |
|
Ti,Zr-ИБ-•TiхZr1–хN-Ti,Zr-ИБ•-TiхZr1–хN пленки электродуговым испарением |
|
со способностью слоев эффективно рассеивать энергию деформации |
|
в процессе внешнего трения..................................................................................... |
181 |
5
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Технология получения многослойной |
|
TiМР-•TiNМР-ZrNЭДИ•-TiхZr1–xNМР+ЭДИ пленки комбинированным методом |
|
с градиентом структуры, состава и свойств слоев и высокой прочностью |
|
в условиях прерывистого резания............................................................................ |
186 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Технология получения многослойной |
|
TiЭДИ-•TiNМР-Ti1–хAlxNМР+ЭДИ•-Ti1–хAlxNМР+ЭДИ пленки комбинированным |
|
методом с градиентом структуры слоев и повышенной износо-, ударо-, |
|
тепло-, трещино- и коррозиестойкостью ................................................................ |
193 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Технология получения многослойной |
|
TiNп.с-•TiNн.с-Ti1–хAlxNн.с•-Ti1–хAlxNн.с пленки методом электродугового |
|
испарения с градиентом физико-механических, трибологических |
|
и коррозионных свойств слоев................................................................................. |
199 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Оценка экономического эффекта упрочнения |
|
технологического инструмента и пар трения путем осаждения |
|
многослойных пленок на основе двухкомпонентных TiN, ZrN, |
|
трехкомпонентных TiхZr1–хN, Ti1–хAlхN и многокомпонентных Ti-B-Si-N |
|
слоев пленок............................................................................................................... |
206 |
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