повышению износостойкости и термической устойчивости Ti,Zr-ИБ-• TiхZr1–хN-Ti,Zr-ИБ•-TiхZr1–хN пленки в целом.
Проведение ИБ слоев Ti,Zr осуществляется для прекращения роста кристаллитов на всю толщину TiхZr1–хN слоя, так как каждый раз после ИБ они возникают в новых точках поверхности. Снижение дезориентирующего влияния дефектов, а также прекращение непрерывного роста дефекта поверхности нижнего слоя приведет к повышению предела выносливости, износостойкости и работоспособности Ti,Zr-ИБ-•TiхZr1–хN-
Ti,Zr-ИБ•-TiхZr1–хN пленки.
Проведение ИБ с Uвыс = 800…1000 В позволит поддержать температуру осаждаемых TiхZr1–хN слоев в заданном интервале 725…775 К = = (0,161…0,172)Тпл, стабилизировать процесс их структурообразования и повысить износостойкость и работоспособность мелкоразмерного технологического инструмента, деталей машин и пар трения с температурой отпуска не более 800 К.
Нанесение последним TiхZr1–хN слоя повысит термическую устойчивость Ti,Zr-ИБ-•TiхZr1–хN-Ti,Zr-ИБ•-TiхZr1–хN пленки в целом, что объясняется подобием структур и близкими размерами атомов Ti и Zr, значительными областями взаимной растворимости атомов Ti и легирующего компонента Zr в соответствующих нитридах. Оптимальное сочетание высокой износостойкости и термической устойчивости верхнего слоя позволит обеспечить увеличение сопротивляемости Ti,Zr-ИБ-•TiхZr1–хN-Ti,Zr-ИБ•-TiхZr1–хN пленки процессам разрушения при деформации рабочей поверхности ТИ и ПТ, находящихся в процессе эксплуатации под воздействием переменных нагрузок и повышенных температур. Кроме того, использование в качестве материала верхнего слоя сложного нитрида TiхZr1–хN обеспечит высокую стойкость Ti,Zr-ИБ-•TiхZr1–хN-Ti,Zr-ИБ•-TiхZr1–хN пленки к окислению в агрессивной среде, особенно в условиях сухого трения.
Многократное чередование TiхZr1–хN и Ti,Zr слоев с определенными теплофизическими и механическими свойствами, обладающих различными показателями микротвердости, позволит сформировать Ti,Zr-ИБ-•TiхZr1–хN- Ti,Zr-ИБ•-TiхZr1–хN пленку с переменной микротвердостью, способствующей эффективному торможению трещин на границах слоев, торможению процессов образования и распространения трещин без снижения микротвердости, повышению термической устойчивости и износостойкости осаждаемой пленки. Плавно изменяющиеся свойства слоев позволят снизить перепад микротвердости и сжимающих напряжений на границах слоев, что
126
позволит повысить прочность их связи. Благодаря тому, что все слои имеют высокое химическое сродство, так как содержат одни и те же тугоплавкие металлы, достигается высокая прочность их адгезионной связи.
Осаждение TiхZr1–хN и Ti,Zr слоев испарением двух Ti и Zr катодов позволит получить слои с максимальным содержанием Zr и приведет к снижению тепловыделения при резании и, следовательно, снижению вероятности возникновения трещин. Использование в качестве материала одного из катодов Zr позволит повысить энергоемкость осаждаемых слоев и, как следствие, их износостойкость.
Функциональное назначение каждого слоя:
–верхний слой, непосредственно контактирующий с обрабатываемым материалом и обладающий комплексом свойств композиционной пленки, имеет малую склонность к химическому взаимодействию с обрабатываемым материалом, достаточно хорошо сопротивляется коррозии и окислению, а меньшая, по сравнению с нижележащими слоями, адгезионная проч-
ность данного слоя предотвратит хрупкое разрушение Ti,Zr-ИБ-•TiхZr1–хN- Ti,Zr-ИБ•-TiхZr1–хN пленки в условиях усталости;
–слой, находящийся непосредственно под верхним слоем, осуществляет преимущественно барьерные функции, увеличивающие термическую устойчивость Ti,Zr-ИБ-•TiхZr1–хN-Ti,Zr-ИБ•-TiхZr1–хN пленки;
–второй слой TiхZr1–хN пленки в направлении от поверхности подложки несет основную функциональную нагрузку многослойной
Ti,Zr-ИБ-•TiхZr1–хN-Ti,Zr-ИБ•-TiхZr1–хN пленки;
– градиент структуры, фазового и элементного состава достигается за счет введения между слоями пленки Ti,Zr металлических слоев.
Способ осаждения многослойной многокомпонентной Ti,Zr-ИБ-•TiхZr1–х N-Ti,Zr-ИБ•-TiхZr1–хN пленкиприведенвприложении4.
Разработанная технология позволяет получить многокомпонентную многослойную Ti-ИБ-•Ti1–хAlхN-Ti-ИБ•-Ti1–хAlхN пленку с высокой износостойкостью, термической устойчивостью и повышенной работоспособностью, обладающуюдополнительнокоррозионнымисвойствами, методомЭДИ.
Контроль состояния многослойной многокомпонентной Ti-TiN-•Zr- ZrN•-Zr-•TiхZr1–хN-Zr•-TiхZr1–хN пленки в процессе и после ее осаждения следует осуществлять в соответствии с приложением 2.
127
4.4. ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ МНОГОСЛОЙНОЙ
TIМР-•TINМР-ZrNЭДИ•-TIХZr1–ХNМР+ЭДИ ПЛЕНКИ С ГРАДИЕНТОМ СТРУКТУРЫ, СОСТАВА И СВОЙСТВ СЛОЕВ И ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТЬЮ
В УСЛОВИЯХ ПРЕРЫВИСТОГО РЕЗАНИЯ
Способ получения многокомпонентной многослойной TiМР-•TiNМР- ZrNЭДИ•-TiхZr1–хNМР+ЭДИ пленки с высокой износостойкостью и надежностью включает в себя трехступенчатую очистку поверхности и осаждение слоев пленки различного состава с попеременным и одновременным использованием источников плазмы.
Использование для формирования многокомпонентной многослойной TiМР-•TiNМР-ZrNЭДИ•-TiхZr1–хNМР+ЭДИ пленки вакуумной установки, оснащенной четырьмя магнетронами, двумя электродуговыми испарителями и резистивным нагревателем, позволяет проводить процесс получения пленки непрерывно, не вынимая ТИ и ПТ и тестовые образцы из вакуумной установки и не подвергая свежеобразованные частицы получаемых слоев воздействию внешней среды, в процессе которого происходит образование соединений, ухудшающих свойства пленки.
Очистка поверхности ТИ и ПТ и тестовых образцов проводится в три этапа: на первом этапе – одновременное проведение мягкой очистки поверхности в тлеющем разряде и бесконтактный ее нагрев резистивным нагревателем до 375 К, на втором – очистка в плазме магнетронного разряда, на третьем – ионная очистка электродуговым испарителем с Ti катодом в среде Ar с нагревом поверхности ТИ и ПТ и тестовых образцов до 575…625 К. Это обеспечивает высокоэффективную микроочистку поверхности ТИ и ПТ и тестовых образцов при температурах, не превышающих температуру отпуска материала ТИ и ПТ, в частности, быстрорежущей, конструкционной, мало- и среднеуглеродистой стали и стали без термообработки. В процессе трехэтапной очистки помимо микроочистки происходит активизация поверхности ТИ и ПТ и тестовых образцов перед процессом осаждения многокомпонентной многослойной TiМР-•TiNМР-ZrNЭДИ•- TiхZr1–хNМР+ЭДИ пленки, за счет чего без снижения прочностных свойств упрочняемого материала повышается адгезионная прочность пленки.
Осаждение на очищенную поверхность ТИ и ПТ и тестовых образцов Ti слоя, обладающего значительной кристаллохимической совместимостью с последующим TiN слоем TiМР-•TiNМР-ZrNЭДИ•-TiхZr1–хNМР+ЭДИ пленки и материалом ТИ и ПТ, снижает напряжения на границе их раздела и повышает адгезионную прочность пленки в целом. Слои TiN получают
128
МР с использованием Ti мишени, за счет чего обеспечивается высокая микротвердость наноструктурированных слоев при сохранении относительно высокой их вязкости. Структура данных слоев позволяет обеспечить их достаточную прочность в условиях прерывистого резания.
Слои ZrN получают электродуговым испарением Zr катода, в результате чего образуются рентгеноаморфные слои с частично упорядоченной структурой, обладающие меньшей микротвердостью по сравнению с TiN слоями. Слои ZrN являются буферными слоями. Чередование слоев с различной структурой и свойствами позволяет повысить трещиностойкость TiМР-•TiNМР-ZrNЭДИ•-TiхZr1–хNМР+ЭДИ пленки за счет разделения функций между слоями. Верхний TiхZr1–хN слой получают одновременным магнетронным распылением Ti мишени и электродуговым испарением Zr катода. При эксплуатации Zr образует устойчивый поверхностный оксид, предотвращающий преждевременное разупорядочение материала ТИ и ПТ при работе с высокими температурами, давлениями, скоростями и с труднообрабатываемыми материалами. За счет структурных особенностей, возникающих в результате одновременного комбинированного использования магнетрона и дугового испарителя, данный слой обладает высокой микротвердостью и низким коэффициентом трения в паре с обрабатываемым материалом, что снижает интенсивность трещинообразования.
Способ получения многокомпонентной многослойной TiМР-•TiNМР- ZrNЭДИ•-TiхZr1–хNМР+ЭДИ пленки с высокой износостойкостью и трещиностойкостью приведен в приложении 5.
Нагрев ТИ, ПТ и тестовых образцов проводят по всему сечению до температуры 375 К для активизации их поверхности, предотвращения перепада температур по сечению и возникновения напряжений между поверхностью ТИ, ПТ и тестовых образцов и первым слоем пленки. Многокомпонентная многослойная TiМР-•TiNМР-ZrNЭДИ•-TiхZr1–хNМР+ЭДИ пленка представляет собой тонкую нанокомпозитную пленку, состоящую из наноструктурированных слоев TiN и поликристаллических слоев ZrN. При чередовании слоев TiN, ZrN реализуется принцип формирования многокомпонентной многослойной TiМР-•TiNМР-ZrNЭДИ•-TiхZr1–хNМР+ЭДИ пленки с градиентом структуры и свойств и, как следствие, с разделением функций между слоями. Слоистая структура TiМР-•TiNМР-ZrNЭДИ•-TiхZr1–хNМР+ЭДИ пленки многократно увеличивает ее трещиностойкость и прочность при действии нагрузок прерывистого резания. При одновременном осаждении нитридов Ti и Zr получают TiхZr1–хN слой с микроструктурным упрочнением. Использование TiхZr1–хN слоя в качестве верхнего существенно повышает работоспособность ТИ и ПТ за счет
129
снижения тепловыделения на его контактных поверхностях. Снижение тепловыделения происходит из-за уменьшения коэффициента трения в паре с обрабатываемым материалом за счет повышения микротвердости слоя до 36 ГПа и других трибологических свойств.
Технология позволяет получить многокомпонентную многослойную TiМР-•ZrNМР-TiNЭДИ•-TiхZr1–хNМР+ЭДИ пленку с высокой износостойкостью
итрещиностойкостью, обладающую другими физико-механическими свойствами методом ЭДИ. Градиент структуры, фазового и элементного состава и свойств достигнут за счет попеременного и одновременного использования различных источников плазмы в соответствии с установленными в главе 3 оптимальными ТехП и ТемП электродугового испарения
имагнетронного распыления.
Контроль состояния многокомпонентной многослойной TiМР-•TiNМР- ZrNЭДИ•-TiхZr1–хNМР+ЭДИ пленки с высокой износостойкостью и надежностью в процессе и после ее осаждения следует осуществлять в соответствии с приложением 2.
4.5. ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ МНОГОСЛОЙНОЙ
TIЭДИ-•TINМР-TI1–ХAlХNМР+ЭДИ•-TI1–ХAlХNМР+ЭДИ ПЛЕНКИ
С ГРАДИЕНТОМ СТРУКТУРЫ СЛОЕВ И ПОВЫШЕННОЙ ИЗНОСО-,
УДАРО-, ТЕПЛО-, ТРЕЩИНО- И КОРРОЗИЕСТОЙКОСТЬЮ
Основная задача вновь разработанной технологии получения многокомпонентной многослойной TiЭДИ-•TiNМР-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ•-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ пленки – повышение коррозионной стойкости и износо-, ударо-, тепло-, трещиностойкости поверхности ТИ и ПТ.
Двухэтапную подготовку ТИ и ПТ перед осаждением многокомпонентной многослойной TiЭДИ-•TiNМР-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ•-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ пленки – очистку поверхности ТИ и ПТ в тлеющем разряде при бесконтактном нагреве поверхности резистивным нагревателем до 375 К и ионную очистку электродуговым испарителем с Ti катодом в среде Ar при нагреве по-
верхности ТИ и ПТ и тестовых образцов до Тподл = 575...625 К – осуществляют для устранения последствий технологической наследственности опе-
раций и переходов изготовления ТИ и ПТ, повышения степени однородности нагрева подложки и повышения работоспособности и эффективности материала ТИ и ПТ.
Многослойную TiЭДИ-•TiNМР-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ•-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ пленку на поверхности ТИ и ПТ, состоящую из чередующихся слоев TiN
130