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

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

из дополнительной во вторую основную фазу, увеличением деформации КР и значительным уменьшением Т.

На основе корреляционной связи между ТехП и ТемП процесса МР и ЭДИ, структурой, направлением преимущественного кристаллографического ориентирования, фазовым составом, ФМС и трибологическими свойствами МП на основе TiN (ZrN) слоев возможно разработать технологические процессы получения многофункциональных пленок различного практического применения с градиентом структуры и свойств.

Трибологические свойства многослойных пленок на основе двухкомпонентных TiN (ZrN) слоев зависят от твердости композиции пленка – подложка. Высокие значения трибологических свойств, Нμк и НМ115 соответст-

вуют оптимальным сочетаниям ТехП и ТемП (табл. 3.5–3.8, рис. 3.5–3.8). Существует неоднозначная зависимость ИАС и изнашивающей спо-

собности TiN (ZrN) слоев по отношению к контртелу от микротвердости композиции слой – подложка Нμк . С повышением Нμк улучшаются ИАС

слоев и МП, уменьшается их изнашивающая способность по отношению к контртелу (справедлива и обратная зависимость). Однако при постоянстве Нμк возможно ухудшение свойств TiN (ZrN) слоев. Исследования, ре-

зультаты которых представлены в главе 3, позволяют выявить причины данного исключения: изменение подструктуры слоев пленок со столбчатой до глобальной и ухудшение шероховатости поверхности в связи с формированием на поверхности слоев пленок 3D и стержневых образований с зернистой подструктурой, дефектообразование, увеличение объемной доли в TiN (ZrN) слоях гексагональной фазы TiN0.3 (ZrN0.28) и напряжений КР при отклонении ТехП от оптимальных значений.

Многослойные пленки на основе наноструктурированных TiN (ZrN) слоев, сформированных при оптимальном сочетании ТехП, обладают высокими механическими свойствами, уникальным комплексом ИАС и минимальнойизнашивающейспособностьюпоотношениюкконтртелу(табл. 3.9).

Коррозионные свойства многослойных пленок на основе двухкомпонентных TiN (ZrN) слоев также зависят от ТехП электродугового испарения и магнетронного распыления. Эффективность по снижению плотности тока коррозии (iкор) и тока в пассивном состоянии (iпас) твердого сплава ВК8 многослойных пленок на основе двухкомпонентных TiN (ZrN) слоев, полученных методом ЭДИ и МР при различном Р (0,8; 1,0; 1,2 Па), определяется на основании результатов выборочных коррозионных испытаний

(табл. 3.10, рис. 3.9).

46

Таблица 3 . 5 Твердость композиции двухкомпонентнаяTiN (ZrN) многослойная пленка – подложка (магнетронное распыление)

ТехП

 

Материал

Толщинаслоя

 

Hμк , ГПа

 

Hμк , ГПа

НМ115, ГПа

 

пленки(δ), мкм

(НаноСкан)

 

(ПМТ-3)

(SHIMADZU HMV-2000)

 

подложки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TiN

ZrN

TiN

 

ZrN

TiN

ZrN

TiN

ZrN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,8

Ст3; ВК8

2,7

2,7

3,5

 

3,4

9,5; 14,0

13,0

0,1

0,3

Р, Па

 

1,01

Ст3; ВК8

3,1

2,8

7,7

 

7,1

18,0;

24,0

18,0

0,6

0,7

 

1,2

Ст3; ВК8

3,2

3,0

4,2

 

3,5

14,20; 19,6

16,0

0,4

0,5

 

 

 

 

 

1,4

Ст3; ВК8

3,4

3,2

3,4

 

3,1

11,4;

16,7

14,0

0,3

0,4

N, кВт

 

1,70

Ст3; ВК8

1,9

1,8

2,7

 

2,3

12,37; 14,0

12,0

0,4

0,5

 

2,42

Ст3; ВК8

3,0

3,5

7,7

 

6,5

18,0;

24,0

17,0

0,6

0,7

 

 

3,00

Ст3; ВК8

3,3

4,1

6,3

 

5,9

16,7;

19,6

16,0

0,4

0,5

Uсм, В

 

40

Ст3; ВК8

1,5

2,5

3,2

 

2,9

10,7;

16,7

15,0

0,5

0,5

 

60

Ст3; ВК8

2,0

2,6

4,1

 

3,9

13,3;

18,0

16,0

0,5

0,6

 

 

 

L, мм

 

120

Ст3; ВК8

2,6

2,4

3,4

 

2,9

11,4;

16,7

13,0

0,4

0,6

 

140

Ст3; ВК8

2,2

1,8

3,5

 

2,7

9,5; 14,0

12,0

0,3

0,4

 

 

160

Ст3; ВК8

1,9

1,5

3,0

 

2,6

7,2; 11,0

9,0

0,3

0,5

 

 

30

Ст3; ВК8

2,0

2,4

3,6

 

3,5

7,3; 11,0

8,0

0,4

0,5

N2, %

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50

Ст3; ВК8

3,2

3,1

3,6

 

3,4

10,8;

18,0

13,0

0,3

0,4

 

 

70

Ст3; ВК8

3,6

3,5

6,5

 

5,9

5,2;

9,5

8,0

0,3

0,4

11,0 Па; 80 В; 100 мм; 35 % N2; 2,03 кВт – для TiN слоя; 2,09 кВт – для ZrN слоя.

47

48

Таблица 3 . 6 Твердость композиции двухкомпонентная TiN (ZrN) многослойная пленка – подложка (электродуговое испарение)

 

ТехП

Материал

 

δ, мкм

Hμк

, ГПа

Hμк , ГПа

НМ115, ГПа

 

 

(НаноСкан)

(ПМТ-3)

(SHIMADZU HMV-2000)

 

подложки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TiN

 

ZrN

TiN

 

ZrN

TiN

ZrN

TiN

ZrN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,6

Ст3

3,5

 

4,0

8,6

 

3,8

18,0

18,0

0,7

0,8

 

 

0,8

Ст3

4,0

 

5,0

9,3

 

9,5

19,6

17,4

0,5

0,6

Р, Па

 

1,01

Ст3

5,0

 

5,5

25,7

 

26,9

27,1

22,5

0,8

0,9

 

 

1,2

Ст3; ВК8

6,0

 

6,0

12,3; 21,94

 

7,4

15,36; 23,7

13,6

0,3

0,3

 

 

1,4

Ст3

7,0

 

6,5

19,3

 

8,2

21,6

16,7

0,4

0,4

Iд, А

 

90

Ст3

6,0

 

6,5

20,6

 

25,6

23,2

23,0

0,3

0,3

 

100

Ст3

7,0

 

7,5

19,7

 

23,7

23,2

20,7

0,3

0,3

 

 

 

 

 

 

80

Ст3

3,0

 

3,5

3,8

 

3,9

21,0

18,0

0,8

0,9

Uсм, В

 

100

Ст3

3,5

 

4,0

4,2

 

4,1

24,3

19,6

0,5

0,4

 

150

Ст3

4,0

 

5,0

3,8

 

3,4

25,7

21,6

0,4

0,4

 

 

 

 

 

 

250

Ст3

6,0

 

6,0

3,8

 

3,1

23,2

12,4

0,3

0,4

 

 

400

Ст3

2,0

 

2,5

3,8

 

3,0

16,1

10,0

0,4

0,5

L, мм

 

360

Ст3

3,0

 

3,0

3,5

 

3,2

18,0

11,4

0,4

0,5

 

330

Ст3

4,0

 

3,5

4,2

 

5,7

21,0

12,4

0,3

0,4

 

 

 

 

 

 

300

Ст3

4,5

 

4,0

18,7

 

15,4

25,4

14,2

0,3

0,5

 

 

30

Ст3

4,0

 

3,5

2,3

 

1,9

10,0

9,7

0,5

0,6

N2, %

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50

Ст3

4,0

 

4,0

5,6

 

6,3

16,0

14,2

0,4

0,5

 

 

70

Ст3

4,5

 

5,0

18,9

 

19,6

21,0

18,0

0,3

0,4

1Р = 1,0 Па; L = 270 мм; Iд = 80 А; Uсм = 200 В; N2 = 90 %.

Таблица 3 . 7

Износостойкие и антифрикционные (ИАС) свойства многослойных пленок на основе двухкомпонентных TiN (ZrN) слоев, сформированных МР, и их изнашивающая способность по отношению к контртелу (в числителе – значения для TiN слоя, в знаменателе – для ZrN слоя)

 

ТехП

Материал

 

 

m,

 

 

Iпm ,

 

 

IпV ,

 

 

IкV ,

 

dп,

 

Vк,

 

f

 

Мтр,

 

подложки

·10–3 мг

·10–5 мг·Н–1·м–1

·10–4 мм3·Н–1·м–1

·10–8 мм3·Н–1·м–1

 

мм

·10–3 мм·с–1

 

 

Н·м

 

1

2

3

4

 

 

5

 

 

6

 

 

7

 

 

8

 

9

 

10

 

11

 

 

 

0,8

Ст3;

ВК8

 

10,5

 

 

12,00

 

8,62

 

 

7,93

 

 

0,98

1,32

 

0,12

0,14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3,6

 

 

1,35

 

0,80

 

 

1,32

 

 

0,62

0,84

 

0,08

0,10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,01

Ст3;

ВК8

0,1

 

0,06

 

0,08

 

 

0,61

 

 

0,52

0,70

 

0,08

0,09

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,4

 

0,16

 

0,12

 

 

0,33

 

 

0,44

0,59

 

0,08

0,10

 

Р, Па

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,2

Ст3;

ВК8

6,8

 

8,05

 

13,73

 

3,68

 

 

0,78

1,05

 

0,12

0,13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5,6

 

2,13

 

0,20

 

 

1,29

 

 

0,68

0,92

 

0,10

0,12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,4

Ст3;

ВК8

9,1

 

10,87

 

0,70

 

 

6,58

 

 

0,87

1,18

 

0,13

0,15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8,7

 

3,56

 

16,78

 

8,45

 

 

0,92

2,14

 

0,12

0,13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,70

Ст3;

ВК8

9,2

 

10,46

 

0,81

 

 

6,55

 

 

0,93

1,26

 

0,07

0,08

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14,6

 

12,03

 

14,56

 

3,56

 

 

0,75

1,15

 

0,09

0,11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,6

 

1,83

 

0,08

 

 

4,04

 

 

0,83

1,12

 

0,06

0,08

 

N, кВт

2,42

Ст3;

ВК8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5,3

 

2,00

 

12,77

 

2,22

 

 

0,63

0,85

 

0,08

0,10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3,00

Ст3;

ВК8

6,8

 

7,77

 

2,88

 

 

19,10

 

1,22

1,65

 

0,09

0,11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5,9

 

2,25

 

14,62

 

2,56

 

 

0,75

1,01

 

0,10

0,13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40

Ст3;

ВК8

7,2

 

8,23

 

17,90

 

4,78

 

 

0,86

1,16

 

0,22

0,27

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6,5

 

2,80

 

3,50

 

 

3,77

 

 

0,81

1,09

 

0,11

0,13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uсм, В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

60

Ст3;

ВК8

6,0

 

3,31

 

15,80

 

5,23

 

 

0,88

1,19

 

0,11

0,13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,9

 

2,29

 

4,05

 

 

4,82

 

 

0,83

1,12

 

0,09

0,11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

120

Ст3;

ВК8

6,1

 

8,24

 

2,96

 

 

5,98

 

 

0,98

1,32

 

0,07

0,09

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2,4

 

0,90

 

8,62

 

 

2,74

 

 

0,71

0,96

 

0,08

0,10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L, мм

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

140

Ст3;

ВК8

7,5

 

9,36

 

3,15

 

 

6,87

 

 

1,15

1,55

 

0,08

0,11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

49

 

5,3

 

2,02

 

13,60

 

4,49

 

 

0,81

1,09

 

0,08

0,10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50

Окончание табл. 3 . 7

1

2

3

4

 

 

5

 

 

6

 

 

7

 

 

8

 

9

 

10

 

11

 

 

160

Ст3;

ВК8

8,4

 

12,30

 

4,95

 

 

0,56

 

 

0,39

0,53

 

0,09

0,10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7,6

 

2,90

 

18,50

 

1,00

 

 

0,58

0,78

 

0,24

0,30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30

Ст3;

ВК8

 

35,4

 

 

40,46

 

 

26,78

 

12,70

 

0,97

1,31

 

0,25

0,31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11,9

 

 

4,53

 

 

18,90

 

 

7,78

 

 

0,53

0,72

 

0,12

0,14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ст3;

ВК8

5,4

 

6,11

 

11,20

 

7,45

 

 

0,96

1,30

 

0,10

0,12

N2, %

40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4,6

 

1,75

 

2,15

 

 

0,90

 

 

0,48

0,65

 

0,08

0,10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50

Ст3;

ВК8

7,2

 

8,27

 

1,25

 

 

18,20

 

1,21

1,64

 

0,11

0,14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5,7

 

2,15

 

14,40

 

1,26

 

 

0,61

0,82

 

0,10

0,12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11,0 Па; 80 В; 100 мм; 35 % N2; 2,54 кВт – для TiN слоя; 2,09 кВт – для ZrN слоя.

Таблица 3 . 8

Износостойкие и антифрикционные свойства многослойных пленок на основе двухкомпонентных TiN (ZrN) слоев, сформированных ЭДИ, и их изнашивающая способность по отношению к контртелу (в числителе – значения для TiN слоя, в знаменателе – для ZrN слоя)

ТехП

 

Материал

 

 

m,

 

 

Iпm ,

IпV ,

 

 

IкV ,

 

dп,

 

VК,

 

f

 

Мтр,

 

подложки

·10–3 мг

·10–5 мг·Н–1·м–1

·10–4 мм3·Н–1·м–1

·10–8 мм3·Н–1·м–1

 

мм

·10–3 мм/с

 

 

Н·м

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

 

2

3

4

 

 

5

 

 

6

7

 

 

8

 

9

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,22

 

 

0,6

Ст3

62,2

71,09

 

2,96

12,09

1,09

 

1,47

0,18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15,7

17,99

 

1,68

7,14

 

 

0,95

 

1,28

0,09

0,10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,8

Ст3

12,0

13,71

 

1,40

4,52

 

 

0,85

 

1,15

0,12

0,14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

29,8

34,06

 

2,80

10,39

1,05

 

1,42

0,15

0,18

 

 

 

 

 

 

Р, Па

 

1,01

Ст3

2,9

 

 

3,54

 

0,08

0,18

 

 

0,38

 

0,51

0,08

0,10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6,0

 

 

6,86

 

0,92

0,91

 

 

0,57

 

0,77

0,06

0,07

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,2

Ст3; ВК8

 

3,2

 

 

4,16

 

1,05

0,25

 

 

0,43

 

0,58

0,09

0,12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11,8

13,43

 

2,18

8,06

 

 

0,98

 

1,32

0,10

0,12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,4

Ст3

6,0

 

 

6,80

 

1,07

5,39

 

 

0,89

 

1,20

0,14

0,17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13,5

15,43

 

2,53

8,30

 

 

0,99

 

1,34

0,10

0,12