и Ti1–хAlхN различной толщины, строения и свойств, получают в течение одного непрерывного процесса с попеременным и одновременным использованием электродугового испарителя и магнетронного распылителя в газовой смеси Ar и N2. Свойства и/или фазовый состав каждого осажденного слоя регулируют за счет изменения мощности магнетронного разряда при распылении Ti, тока дуги при электродуговом испарении Al, давления газовой смеси, процентного соотношения N2 и Ar, Uсм и L. Осаждение TiЭДИ-•TiNМР-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ•-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ пленки с использованием различных источников плазмы позволяет получать градиент структуры и свойств, что делает ее способной воспринимать ударные нагрузки.
Эффективность и работоспособность ТИ и ПТ достигается за счет комбинированного метода получения слоев различного функционального назначения: Ti подслой – адгезионный и буферный, TiN слой – износостойкий, Ti1–хAlхN слой – ударо-, тепло-, трещино- и коррозионно-стойкий.
Нижний адгезионный и одновременно буферный Ti подслой наносят с использованием электродугового испарителя с Ti катодом. В качестве материала слоя выбран Ti марки ВТ-1-00, так как он обладает промежуточным коэффициентом термического расширения между материалом ТИ и ПТ и материалом последующего TiN слоя. Осаждение Ti слоя электродуговым испарением позволяет получить большое содержание рентгеноаморфной фазы и повышает сопротивляемость многокомпонентной многослойной TiЭДИ-•TiNМР-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ•-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ пленки к ударным нагрузкам.
Наноструктурированный TiN слой, получаемый с использованием магнетронного распылителя с Ti мишенью, сообщает многокомпонентной многослойной TiЭДИ-•TiNМР-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ•-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ пленке высокую износостойкость при сохранении относительно высокой вязкости, достаточную прочность в условиях прерывистого резания и действия динамических теплосиловых нагрузок.
Выбор комбинированного метода осаждения Ti1–хAlхN слоев с одновременным электродуговым испарением Al катода и магнетронным распылением Ti мишени обоснован тем, что многокомпонентная многослойная
TiЭДИ-•TiNМР-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ•-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ пленка по строению пред-
ставляет собой смесь рентгеноаморфной и поликристаллической фаз, соотношение которых регулируется с помощью основных ТехП процесса ЭДИ+МР, что придает ей улучшенные характеристики ударостойкости. Трехкомпонентный Ti1–хAlхN слой обладает также повышенной эластичностью, коррозионной стойкостью, значительной химической стабильно-
131
стью, сопротивляемостью к воздействию переменных теплосиловых нагрузок, трещиностойкостью.
Наноструктурированный TiN слой обеспечивает TiЭДИ-•TiNМР- Ti1–хAlхNМР+ЭДИ•-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ пленке микротвердость 20…25 ГПа, прочность и износостойкость при действии истирающих нагрузок.
При чередовании износостойкого наноструктурированного TiN слоя и ударо-, тепло-, трещино- и коррозионно-стойкого Ti1–хAlхN слоя реализуют принцип формирования многокомпонентной многослойной пленки с градиентом структуры, химического и фазового состава, свойств и, как следствие, с разделением функций между слоями и сообщение всей многослойной TiЭДИ-•TiNМР-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ•-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ пленке многофункциональных свойств. Слоистая структура пленки обеспечивает ее высокую трещиностойкость, а адгезионная прочность слоев – сопротивление сдвиговым нагрузкам. При одновременном осаждении конденсируемых частиц Ti, являющихся источником поликристаллической фазы, и конденсируемых частиц Al, являющихся источником рентгеноаморфной фазы, комбинированным методом получают Ti1–хAlхN слой с микроструктурным упрочнением.
Верхний Ti1–хAlхN слой многокомпонентной многослойной TiЭДИ-•TiNМР-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ•-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ пленки наносят для улучшения контактных характеристик: сопротивляемости поверхности ТИ и ПТ воздействию переменных теплосиловых нагрузок, сопротивляемости рабочей поверхности ТИ и ПТ упругопластическим деформациям, циклическим процессам схватывания, разделения стружки и поверхности пленки, а также воздействию окислительной и/или агрессивной среды. Снижение тепловыделения происходит из-за уменьшения коэффициента трения в паре с обрабатываемым/сопрягаемым материалом за счет повышения микро-
твердости TiЭДИ-•TiNМР-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ•-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ пленки до 36 ГПа
(по результатам главы 3). Высокая коррозионная стойкость пленки определяется тем, что входящий в состав верхнего слоя Al, диффундируя к поверхности и соединяясь с кислородом, образует защитный слой Al2O3, затрудняющий дальнейшее окисление пленки и скорость коррозии и стабилизирующий материал ТИ и ПТ, сообщает TiЭДИ-•TiNМР-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ•-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ пленке коррозионные свойства. Плотная структура верхнего слоя усиливает сопротивление поверхности ТИ и ПТ коррозии. Теплостойкость материала ТИ и ПТ обеспечивается снижением тепловыделения на его контактирующих поверхностях.
132
Изменение ТехП – давления газовой смеси, процентного соотношения N2 и Ar, Uсм и L – позволяет изменять содержание Al по отношению
кTi в осаждаемом трехкомпонентном слое.
Кпреимуществам разработанной технологии относятся:
–возможность изменения состава каждого осаждаемого трехкомпонентного Ti1–хAlхN слоя и изменения структуры чередующихся слоев;
–возможность регулирования состава и свойства каждого слоя с высокой степенью точности. Следовательно, получаемые многокомпонентные
многослойные TiЭДИ-•TiNМР-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ•-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ пленки будут обладать точно заданными свойствами;
– возможность адаптации к получению многокомпонентной многослойной TiЭДИ-•TiNМР-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ•-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ пленки с заданными свойствами для конкретного применения, что позволяет производить любые типы МП с широким диапазоном физико-механических, трибологических и коррозионных свойств для самых разных сфер применения, которые еще не были изучены на предмет возможности использования МП данного типа.
Техническое решение позволяет не только значительно повысить микротвердость поверхности ТИ и ПТ, но и улучшить у их рабочей части следующие эксплуатационные характеристики:
–износостойкость за счет увеличения микротвердости;
–коррозионную стойкость за счет образования плотной и прочной
окисной пленки Al2O3 и значительной химической стабильности трехкомпонентного нитрида Ti и Al;
–ударостойкость за счет осаждения прилегающего к ТИ и ПТ адгезионного и одновременно буферного рентгеноаморфного Ti подслоя и ударостойких слоев с повышенной эластичностью из трехкомпонентного нитри-
да Ti и Al;
–трещиностойкость за счет улучшения сопротивляемости поверхности ТИ и ПТ воздействию переменных теплосиловых нагрузок, сопротивляемости рабочей части ТИ и ПТ упругопластическим деформациям, циклическим процессам схватывания, разделения стружки и поверхности многокомпо-
нентной многослойной TiЭДИ-•TiNМР-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ•-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ пленки;
– теплостойкость за счет осаждения термически устойчивых Ti1–хAlхN слоев, снижения тепловыделения на контактирующих поверхностях ТИ и ПТ.
Вышеперечисленные эксплуатационные характеристики МП свидетельствуют о повышении работоспособности и эффективности ТИ и ПТ.
133
Разработанная технология получения многокомпонентной многослойной TiЭДИ-•TiNМР-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ•-Ti1–хAlхNМР+ЭДИ пленки на основе сложных нитридов приведена в приложении 6.
В соответствии с технологией методом электродугового испарения может быть получена многокомпонентная многослойная TiЭДИ-•TiNМР-
TiхZr1–хNМР+ЭДИ•-TiхZr1–хNМР+ЭДИ пленка с высокой износо-, ударо-, тепло-, трещино- и коррозионной стойкостью, обладающая другими физико-
механическими и трибологическими свойствами. 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 и магнетронного распыления.
Контроль состояния многокомпонентной многослойной TiЭДИ-•TiNМР-
TiхZr1–х NМР+ЭДИ•-TiхZr1–хNМР+ЭДИ пленки с высокой коррозионной, износо-, ударо-, тепло-, трещиностойкостью в процессе и после ее осаждения следу-
ет осуществлять в соответствии с приложением 2.
4.6. ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ МНОГОСЛОЙНОЙ
TINП.С-•TINН.С-TI1–ХAlХNН.С•-TI1–ХAlХNН.С ПЛЕНКИ С ГРАДИЕНТОМ
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ, ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ И КОРРОЗИОННЫХ
СВОЙСТВ СЛОЕВ
Основной задачей разработанной технологии является получение многокомпонентной многослойной TiNп.с-•TiNн.с-Ti1–хAlхNн.с•-Ti1–хAlхNн.с пленки с комплексом физико-механических, трибологических и коррозионных свойств в низкотемпературных условиях электродугового испарения на базе МСЗ трехкомпонентных пленок на основе нитридов металлов для увеличения сопротивления поверхности подложки к совместному действию истирающих, высоких контактных и тепловых нагрузок, воздействию агрессивной среды.
В соответствии с технологией получение многокомпонентной многослойной TiNп.с-•TiNн.с-Ti1–хAlхNн.с•-Ti1–хAlхNн.с пленки включает в себя два этапа очистки поверхности ТИ и ПТ и тестовых образцов с их нагревом и термомеханической активацией путем ионной бомбардировки с Uвыс = 800…1000 В и осаждение пленки в газовой смеси N2 и Ar. На первом этапе проводят очистку поверхности подложки в тлеющем разряде при бесконтактном нагреве поверхности резистивным нагревателем в течение 30 мин до 400…430 К, а на втором этапе – ионную очистку поверхности
134
ТИ, ПТ и тестовых образцов ионами Ti с ее нагревом до 665…695 К. После этого наносят нижний поликристаллический TiNп.с слой в течение 3 мин с окончательной его температурой после осаждения 670…700 К, затем осаждают чередующиеся наноструктурированные TiNн.с и Ti1–хAlхNн.с слои: слой TiNн.с наносят испарением двух Ti катодов при нагреве слоя до температуры 685…710 К в течение 3 мин, а слой Ti1–хAlхNн.с – одновременным испарением двух Ti и одного Al катода при его нагреве до температуры 690…720 К в течение того же времени. Осаждение чередующихся слоев повторяют по крайней мере три раза с достижением температуры верхнего слоя 730…760 К, причем последним наносят Ti1–хAlхNн.с слой.
Низкотемпературный нагрев ТИ и ПТ и тестовых образцов до температуры 400…430 К в течение 30 мин перед осаждением TiNп.с-•TiNн.с- Ti1–хAlхNн.с•-Ti1–хAlхNн.с пленки позволит равномерно нагреть поверхность ТИ, ПТ и тестовых образцов перед осаждением многослойной пленки и предотвратит притупление и перегрев режущих или формирующих кромок ТИ и ПТ.
Нагрев поверхности ТИ, ПТ и тестовых образцов до 665…695 К в процессе ионной бомбардировки ионами Ti с высоким напряжением 800…1000 В в течение 2 мин позволит термически активировать их поверхность и увеличить адгезионную прочность TiNп.с-•TiNн.с-Ti1–хAlхNн.с•-
Ti1–хAlхNн.с пленки в целом.
Двухступенчатая очистка позволит стабилизировать структуру ТИ, ПТ и тестовых образцов и повысить адгезионную прочность TiNп.с-•TiNн.с-
Ti1–хAlхNн.с•-Ti1–хAlхNн.с пленкибезсниженияпрочностныхсвойствТИиПТ. Нанесение на очищенную поверхность ТИ, ПТ и тестовых образцов ад-
гезионного нижнего слоя TiNп.с, обладающего значительной кристаллохимической совместимостью с материалом ТИ, ПТ и тестовых образцов, с естественным повышением их температуры до 670…700 К в течение 3 мин, позволит снизить напряжения на границе их раздела, повысить адгезию между ними и увеличить сопротивляемость TiNп.с-•TiNн.с-Ti1–хAlхNн.с•-Ti1–хAlхNн.с пленки к действию высоких контактных нагрузок.
Нанесение в среде азота ТiNн.с при его нагреве до Тс = 685…710 К в течение 3 мин позволит получить его с высокими физико-механическими и трибологическими свойствами, что приведет к повышению сопротивляемости ТИ и ПТ к совместному действию истирающих и больших контактных нагрузок.
Нанесение в среде N2 трехкомпонентного Ti1–хAlхNн.с слоя при его нагреве до температуры до 690…720 К в течение 3 мин позволит получить
135