чередующихся слоев зависит от эксплуатационного назначения ТИ и ПТ и величины действующих на них нагрузок. Формирование TiNн.с слоя в качестве последнего обеспечит увеличение сопротивляемости многослойной пленки к воздействию различного типа динамических нагрузок.
Технология получения многослойной Ti-•TiNп.с-TiNн.с•-TiNн.с пленки приведена в приложении 2. Контроль состояния многослойной Ti-•TiNп.с- TiNн.с•-TiNн.с пленки в процессе и после ее осаждения должен осуществляться согласно приложению 2.
В соответствии с разработанной технологией методом ЭДИ может быть получена высокоэкономичная многослойная двухкомпонентная Zr-•ZrNп.с-ZrNн.с•-ZrNн.с пленка с комплексом стабильных физико-механи- ческих и пластичных свойств, обладающая дополнительно более высокой энергоемкостью и, следовательно, износостойкостью.
4.2.ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОЙ
ИТЕРМОДИНАМИЧЕСКИ УСТОЙЧИВОЙ МНОГОСЛОЙНОЙ
TI-TIN-•Zr-ZrN•-Zr-•TIхZr1–хN-Zr•-TIхZr1–хN
ПЛЕНКИ С ГРАДИЕНТОМ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЛОЕВ
Комплексное повышение износостойких, трещиностойких свойств и термической устойчивости поверхности ТИ и ПТ достигается за счет формирования на их поверхности многослойной многокомпонентной пленки на основе тугоплавких соединений с градиентом теплопроводности слоев, обеспечивающей микроползучесть материала ТИ и ПТ при действии высоких эксплуатационных термомеханических напряжений, а также введения металлических Zr слоев с максимальной теплопроводностью между износостойкими ZrN и TiхZr1–хN слоями. Материал ТИ и ПТ с износостойкой и термически устойчивой многослойной многокомпо-
нентной Ti-TiN-•Zr-ZrN•-Zr-•TiхZr1–хN-Zr•-TiхZr1–хN пленкой, сформиро-
ванной МР, будет более длительное время сопротивляться макро- и микроразрушению вследствие более высокой сопротивляемости пленки динамическим теплосиловым нагрузкам, микроползучести и пластическому деформированию. Введение Zr слоя с меньшей твердостью, обладающего высокой термической устойчивостью при воздействии высоких эксплуатационных термомеханических напряжений, снижает вероятность хрупкого разрушения твердых и износостойких ZrN и TiхZr1–хN слоев.
Сочетание слоев с градиентом теплопроводности наиболее благоприятно с точки зрения усталостной прочности материала многослойной
121
Ti-TiN-•Zr-ZrN•-Zr-•TiхZr1–хN-Zr•-TiхZr1–хN пленки при действии динамиче-
ских теплосиловых нагрузок при высокотемпературной работе ТИ и ПТ. Наиболее важным преимуществом разработанной многослойной много-
компонентной Ti-TiN-•Zr-ZrN•-Zr-•TiхZr1–хN-Zr•-TiхZr1–хN пленки является принцип ее конструирования с учетом условий переменных температур в зоне резания или сопряжения. Полученная многослойная многокомпонентная пленка имеет слоистую структуру с градиентом теплопроводности, причем взаимное расположение слоев, с точки зрения сочетания их теплопроводности, регламентировано в соответствии с условиями обеспечения минимальных термических напряжений на границах слоев. Ввиду близких коэффициентов термического расширения материалов слоев Ti-TiN-•Zr-ZrN•-Zr-•TiхZr1–хN-Zr•-TiхZr1–хN пленки и ТИ и ПТ она имеет высокую адгезионную прочность с материалом ТИ и ПТ и между слоями. Именно совокупность всех вышеперечисленных факторов отличает разработанную технологию получения многослойной многокомпонент-
ной Ti-TiN-•Zr-ZrN•-Zr-•TiхZr1–хN-Zr•-TiхZr1–хN пленки.
Применение разработанной технологии особенно показано для ТИ и ПТ из теплостойких инструментальных и конструкционных сталей, обладающих минимальной сопротивляемостью к перепадам температур в процессе работы ТИ и ПТ, для которых велика вероятность интенсивного разрушения рабочих и режущих поверхностей под воздействием высоких термомеханических нагрузок в процессе их эксплуатации.
В соответствии с упрочняющей технологией ТИ и ПТ тестовые образцы помещают в вакуумную камеру установки, оснащенную магнетронами, электродуговыми испарителями и резистивным нагревателем, позволяющую проводить процесс ионной очистки электродуговым испарителем и получать многослойную многокомпонентную Ti-TiN-•Zr-ZrN•-Zr-•TiхZr1–хN-Zr•-TiхZr1–хN
пленку магнетронным распылением непрерывно, не вынимая ТИ и ПТ из установки после ионной очистки и осаждения первого слоя и не подвергая свежеобразованные частицы получаемых слоев воздействию внешней среды, в процессе которых происходит образование соединений, ухудшающих свойства пленки. Проведение очистки – нагрева поверхности ТИ и ПТ и тестовых образцов в три этапа (продолжительная мягкая очистка поверхности в тлеющем разряде при бесконтактном нагреве резистивным нагревателем, кратковременная очистка в магнетронном разряде и кратковременная ионная очистка) позволяет добиться равномерного нагрева ТИ и ПТ по всему сечению до температур, не превышающих температуру отпуска материала ТИ и ПТ, в частности, быстрорежущей, мало- и среднеуглеро-
122
дистой стали и стали без термообработки, стабилизации структуры материала ТИ и ПТ путем снижения отрицательных факторов технологической наследственности предыдущих механических операций обработки ТИ и ПТ, обеспечения высокоэффективной микроочистки и активации поверхности ТИ и ПТ и повышения адгезионной прочности многослойной многокомпо-
нентной Ti-TiN-•Zr-ZrN•-Zr-•TiхZr1–хN-Zr•-TiхZr1–хN пленки без снижения прочностных свойств материала ТИ и ПТ. Нанесение на очищенную поверхность ТИ и ПТ адгезионного Ti слоя, обладающего значительной кристаллохимической совместимостью с последующим TiN слоем и материалом ТИ и ПТ, снижает напряжения на границе их раздела и повышает адгезию между ними. Далее все слои МП наносят МР в следующей последовательности: TiN слой наносят распылением Ti мишени на подвижную оснастку с ТИ и ПТ и тестовыми образцами в газовой смеси Ar и N2; затем наносят чередующиеся ZrN слои магнетронным распылением Zr мишени в газовой смеси Ar и N2 и Zr слои магнетронным распылением Zr мишени в среде Ar; затем наносят чередующиеся TiхZr1–хN трехкомпонентные слои магнетронным распылением Ti и Zr мишеней в газовой смеси Ar и N2 и Zr слои магнетронным распылением Zr мишени в Ar.
Высокая температура плавления нитридов тугоплавких металлов TiN (3223 К), ZrN (3253 К) и TiхZr1–хN (4500 К) характеризует не только качественную меру химического сродства между тугоплавкими металлами (Ti и Zr) и неметаллом (N) и прочность химической связи в соединении, но и его термическую устойчивость, позволяющую сопротивляться поверхности ТИ и ПТ твердофазным и жидкофазным диффузионным реакциям, коррозии и окислению при повышенных температурах. Высокая термическая устойчивость, твердость и прочность обусловлены точным подобием структур и близкими размерами атомов, обеспечивающих наличие значительных областей взаимной растворимости. Пара нитридов TiN-ZrN, обладающая полной растворимостью, наиболее пригодна для формирования композиционных термически устойчивых пленок.
Использование двухкомпонентных тугоплавких соединений для упрочнения инструментального материала или сопрягаемых поверхностей неэффективно, так как они не обладают достаточным комплексом теплофизических и механических свойств.
Для получения комплекса теплофизических и механических свойств верхним из чередующихся слоев наносят TiхZr1–хN слой, обладающий большей твердостью и износостойкостью.
123
Способ получения износостойкой термически устойчивой многослой-
ной многокомпонентной Ti-TiN-•Zr-ZrN•-Zr-•TiхZr1–хN-Zr•-TiхZr1–хN пленки приведен в приложении 3.
По разработанной технологии кроме износостойкой термически устойчивой многослойной многокомпонентной Ti-TiN-•Zr-ZrN•-Zr-•TiхZr1–хN- Zr•-TiхZr1–хN пленки может быть получена износостойкая термически устойчивая многослойная многокомпонентная Ti-TiN-•Ti-TiN•-Ti1–хAlхN-Ti•- Ti1–хAlхN пленка, обладающая дополнительно и коррозионной стойкостью.
Для получения последней Ti-TiN-•Ti-TiN•-Ti1–хAlхN-Ti•-Ti1–хAlхN пленки Zr
мишень должна быть заменена на Al.
Контроль состояния многослойной многокомпонентной Ti-TiN-•Zr- ZrN•-Zr-•TiхZr1–хN-Zr•-TiхZr1–хN пленки в процессе и после ее осаждения следует осуществлять согласно приложению 2.
В соответствии с разработанной технологией методом магнетронного распыления может быть получена многокомпонентная многослойная
Ti-TiN-•Ti-TiN•-Ti1–хAlхN-Ti•-Ti1–хAlхN пленка с высокой износостойко-
стью и термической устойчивостью, обладающая дополнительно лучшими коррозионными свойствами.
4.3. ОСНОВЫПОЛУЧЕНИЯМНОГОКОМПОНЕНТНОЙМНОГОСЛОЙНОЙ
TI,Zr-ИБ-•TIХZr1–ХN-TI,Zr-ИБ•-TIХZr1–ХN ПЛЕНКИ СОСПОСОБНОСТЬЮ
СЛОЕВЭФФЕКТИВНОРАССЕИВАТЬЭНЕРГИЮДЕФОРМАЦИИ ВПРОЦЕССЕ
ВНЕШНЕГОТРЕНИЯ
Высокая износостойкость, термическая устойчивость и повышенная работоспособность у осаждаемой многокомпонентной многослойной Ti,Zr-ИБ-•TiхZr1–хN-Ti,Zr-ИБ•-TiхZr1–хN пленки достигается за счет осаждения промежуточных Ti,Zr слоев с высокой энергоемкостью, трехкомпонентных TiхZr1–хN слоев с высокой износостойкостью и поддержания температуры осаждаемых слоев на заданном уровне путем проведения термомеханической активации Ti,Zr слоев.
Первым наносят Ti,Zr слой, затем осуществляют ионную бомбардировку (ИБ) ионами Ti и Zr с Uвыс = 800…1000 В для достижения
Тс = 725…775 К = (0,161…0,172)Тпл, после чего наносят TiхZr1–хN слой.
Осаждение TiZr нанослоя, ИБ и осаждение TiхZr1–хN слоя повторяют многократно, причем последним наносят TiхZr1–хN слой.
124
Введение в состав каждого слоя многокомпонентной многослойной
Ti,Zr-ИБ-•TiхZr1–хN-Ti,Zr-ИБ•-TiхZr1–хN пленки Zr, соединения которого обладают высокой энергоемкостью, позволит повысить ее энергоемкость, а именно способность поглощать энергию деформации, повышать диссипативные свойства поверхностных слоев, способность эффективно рассеивать энергию деформации в процессе внешнего трения и увеличить износостойкость осаждаемой пленки и, как следствие, ТИ и ПТ.
Ti,Zr слой, осаждаемый непосредственно на ТИ и ПТ, позволит обеспечить высокую прочность адгезии между ТИ и ПТ и Ti,Zr-ИБ-•TiхZr1–хN- Ti,Zr-ИБ•-TiхZr1–хN пленкой, так как он обладает высокой смачиваемостью по отношению к материалу ТИ и ПТ. Нанесение Ti,Zr слоя и его термическая активация перед осаждением TiхZr1–хN слоя улучшает адгезионную прочность первого функционального TiхZr1–хN слоя и пленки в целом.
Использование тройного нитрида TiхZr1–хN позволит получить Ti,Zr-ИБ-•TiхZr1–хN-Ti,Zr-ИБ•-TiхZr1–хN пленку с комплексом свойств: высокой микротвердостью, износостойкостью при высоких температурах, хорошей термической устойчивостью, стойкостью к агрессивным средам. TiхZr1–хN слои обладают теплобарьерными свойствами и высокими характеристиками износостойкости, так как соединения тугоплавких металлов IV группы (особенно нитриды) термически более устойчивы по сравнению с соединениями металлов VI группы и обладают высокой стабильностью свойств во времени. Таким образом, нанесение TiхZr1–хN слоев позволит снизить температуру контактных поверхностей, коэффициент трения и износ режущих кромок ТИ и рабочих поверхностей ПТ.
Расположение между TiхZr1–хN слоями многослойной пленки нанослоев Ti,Zr, обладающих значительной кристаллохимической совместимостью со слоями TiхZr1–хN и материалом ТИ и ПТ, позволит снизить напряжение на границе раздела слоев, увеличить прочность связи слоев многослойной пленки друг с другом и тем самым повысить адгезионную прочность слоев, наиболее удаленных от поверхности ТИ и ПТ. Уменьшение внутренних напряжений в пленке повысит ее способность запасать энергию деформации в процессе внешнего трения и, в конечном итоге, повысит износостойкость ТИ и ПТ.
Ионная бомбардировка поверхности нанослоев Ti,Zr ионами Ti и Zr будет способствовать равномерному и интенсивному зародышеобразованию кристаллитов Ti и Zr следующего слоя пленки и росту доли кристаллитов сложного нитрида TiхZr1–хN с направлением преимущественной кристаллографической ориентации (111), что приведет к максимальному
125