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

Таблица 2 . 1 Классификация результатов теста с помощью поперечных насечек

Методика оценки адгезионной прочности пленки в соответствии со стандартом VDI-3198, Германия. Методика склерометрических испы-

таний. Первый способ основан на непрерывном нагружении материала, его деформировании в упругой и упругопластической областях до предельного состояния и последующем разрушении путем горизонтального перемещения индентора, предварительно внедренного на определенную глубину. Второй способ основан на царапании слоя или МП на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 0,5 Н, перемещении столика вместе с образцом и непрерывном вдавливании индентора до обнажения подложки и отслоения слоя или МП. Коэффициент адгезии HSC рассчитывается по отношению площади царапины Sц к площади сколов вокруг царапины Sск: HSC = Sц/Sск. Микрофотографии царапин на слое или МП получаются с использованием оптического микроскопа ЕС МЕТАМ РВ-21.

Метод реплик с использованием склерометрии – царапания материа-

ла МП. Исследуемый слой или МП царапаются иглой из твердого сплава,

21

затем на него методом термического распыления в вакууме наносится Pt-C реплика и отделяется от образца с помощью желатина. Реплика исследуется на просвечивающем электронном микроскопе JEM-200CX. Данный способ используется для качественной оценки адгезии с целью выбора оптимального режима осаждения и состава слоев или МП.

Метод Харьковского политехнического института. На верхний слой МП наносится отпечаток твердости по Роквеллу при нагрузке 1471 Н (индентор – алмазный конус). Качество адгезии оценивается по величине SRC – отношения площади скола слоя или МП возле отпечатка твердости (Sск) к площади отпечатка в плоскости слоя или МП (Sотп):

SRC = (Scк/Sотп) · 100 %.

Метод оценки прочности сцепления пленки к подложке по излому при перегибе образца с пленкой.

2.2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ КОРРОЗИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ТЕСТОВЫХ

ОБРАЗЦОВ С МНОГОСЛОЙНЫМИ ПЛЕНКАМИ НА ОСНОВЕ ДВУХ-, ТРЕХ-

ИМНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЕВ В РАСТВОРЕ 5 % NaOH, ИЗ Р6М5 –

ВРАСТВОРЫ 5 % NaOH; 0,1 N H2SO4

Оборудование для электрохимических измерений TiN, ZrN, Ti1–xAlxN, TiхZr1–xN слоев и МП на их основе, сформированных с раздельным, одновременным или попеременным использованием различных источников плазмы, – потенциостат П-5827М.

Электрод сравнения – хлорид-серебряный в насыщенном растворе KCl, противоэлектрод – Pt.

Подготовка тестовых образцов: обезжиривают поверхность ацетоном и опускают образцы из ВК8 – в раствор 5 % NaOH, из Р6М5 – в рас-

творы 5 % NaOH; 0,1 N H2SO4.

Для приготовления раствора используют реактивы квалификации ч.д.а., которые растворяют в дистиллированной воде. Измеряют установившийся потенциал свободной коррозии Екор, затем устанавливают потенциал на 200…300 мВ отрицательнее Екор и с полученного потенциала снимают сначала кривую понижения катодной поляризации и после переполюсовки тока – анодную кривую. Токи фиксируют миллиамперметром М2053. Цена деления нижней шкалы токов – 5 мкА. Потенциалы пересчитывают на шкалу – стандартный водородный электрод (с.в.э.). Результаты измерений обрабатывают в программе Еxсеl с построением графиков Е – lgi.

22

Электрохимические измерения в рамках коррозионных испытаний слоев и МП в целом проводят в ячейке ЯСЭ-2 с разделенными пористой стеклянной диафрагмой катодным и анодным отделениями. Для измерения импеданса используют анализатор частотного отклика Solartron 1255 в комплексе с потенциостатом-гальваностатом Solartron 1287 (Solartron Analytical). Амплитуду переменного сигнала принимают 10 мВ. При измерениях используют программы CorrWare2 и ZPlot2 (Scribner Associates, Inc.), для об-

работки импедансных данных – ZView2. Поверхность тестового образца из ВК8 до упрочнения, после упрочнения и коррозионых испытаний исследуют на оптическом микроскопе NEOPHOT c цифровой фотокамерой.

2.3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ КОРРОЗИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ

ТЕСТОВЫХ ОБРАЗЦОВ С МНОГОСЛОЙНЫМИ ПЛЕНКАМИ НА ОСНОВЕ

ДВУХ-, ТРЕХ- И МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЕВ В РАСТВОРЕ 3 % NaCl

На автоматизированной установке магнетронного распыления и электродугового испарения УРМЗ.279.048 на подвижных тестовых образцах – пластинках из твердого сплава ВК8 – формировали TiN слой электродуговым испарением (ЭДИ) и ZrN слой – магнетронным распылением на постоянном токе (МР ПТ). Материал верхнего слоя – ZrN. Для придания многослойному покрытию •TiN - ZrN• градиента состава, строения и свойств его получали в результате двойного повторения слоев TiN и ZrN с использованием различных источников плазмы. Методом электродугового испарения TiN слой осаждали при различных давлении Р газовой смеси (0,8–1,4 Па), продолжительности нанесения слоя Т и напряжении смещения на подложке Uподл. Слой ZrN получали при различной мощности магнетронного разряда (N = 1,3 – 2,2 кВт) и продолжительности нанесения слоя Т. Остальные параметры не изменялись (табл. 2.2). В связи с меньшей скоростью осаждения пленок магнетронным распылением по сравнению с электродуговым испарением ZrN слои осаждали большее по продолжительности время (см. табл. 2.2). Коррозионную стойкость многослойных пленок на основе чередующихся слов TiN и ZrN сравнивали с коррозионной стойкостью твердого сплава и однослойной TiN пленки, сформированной импульсным магнетронным распылением (ИМР) на автоматизированной установке UNICOAT-600 (табл. 2.3).

Образцы с покрытиями для электрохимических измерений изолировали эпоксидной смолой так, чтобы открытой оставалась только грань образца с покрытием. Измерения проведены на образцах с покрытиями и на подложке без покрытий. Подготовка поверхности подложки перед нанесением покрытий и перед электрохимическими измерениями была одинаковой.

23

Таблица 2 . 2

Технологические параметры осаждения многослойных пленок на основе чередующихся слоев TiN и ZrN

Таблица 2 . 3

Технологические параметры осаждения однослойной пленки TiN

Измерения проводили при комнатной температуре (22–24 °С) в трехэлектродной ячейке в неперемешиваемом растворе 3 % NaCl в условиях естественной аэрации. Раствор NaCl готовили из реактива марки «хч» и деионизованной воды.

После погружения образца в раствор регистрировали кривую «потенциал разомкнутой цепи – время» в течение 2 ч. За это время потенциал коррозии Екор принимал практически постоянное значение. Затем измеряли спектр импеданса при Екор в диапазоне частот f от 10 000 до 0,003 Гц при амплитуде переменного сигнала 10 мВ. После этого получали анодную потенциодинамическую кривую. Скорость развертки потенциала составляла 1 или 5 мВ/с. Потенциалы были измерены относительно насыщенного хлорид-серебряного электрода и пересчитаны относительно стандартного водородного электрода. Все электрохимические измерения проведены на установке Solartron 1287/1255 (Solartron Analytical).

24

2.4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

ТЕСТОВЫХ ОБРАЗЦОВ С МНОГОСЛОЙНЫМИ ПЛЕНКАМИ

НА ОСНОВЕ ДВУХ-, ТРЕХ- И МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЕВ

Трибологические испытания двух- и трехкомпонентных слоев, а также МП на их основе проводили по схеме «палец-диск» на машине трения (табл. 2.4). Профилограммы поверхности слоев и МП после трибологических испытаний получали и обрабатывали с использованием высокоточного круг-

ломера MarForm MMQ 400, оснащенного программой MarShell MarWin.

Трибологические свойства слоев и многослойных пленок на их основе оценивали по антифрикционным свойствам: коэффициенту f и моменту трения Мтр (за f и Мтр принимать средние значения от полученных за 3 секунды с момента прохождения пальцами пути трения 10 м); износостойким свойствам: массовому износу ∆m, объему лунки износа Vп, приведенному износу пленки по массе Iпm и объему IпV , изнашивающей способности пленки по отношению к контртелу: скорости износа контртела Vк и приведенному износу контртела по объему IкV .

25