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

9. На предприятии нефтедобывающей промышленности испытывают составной режущий инструмент, дроссельные трубки и пробки с многослойными пленками на основе наноструктурированных Ti1–xAlxN слоев.

2.9. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ИЗВЕСТНЫХ ДВУХ- И ТРЕХКОМПОНЕНТНЫХ ОДНОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК

Износостойкая МП с высокой твердостью, высокой энергоемкостью,

и твердого сплава ВК8 при обработке титановых и жаропрочных сплавов, поскольку она химически инертна к Ti, теплостойка и имеет низкую теплопроводность. Свойства известных ZrN пленок приведены в табл. 2.5.

Таблица 2 . 5

Физико-механические свойства и внутренние напряжения в ZrN пленках (Н – твердость, Е – модуль Юнга, Н/Е – стойкость пленки к упругой деформации, σвн – внутренние напряжения, Fкр – критическая нагрузка)

Примечание. Метод осаждения – ЭДИ.

Высокими ФМС, ИАС и коррозионными свойствами (табл. 2.6) помимо многокомпонентных пленок могут обладать и высокоэкономичные высокотвердые пленки на основе TiN [17–33] и ZrN [31–41] с минимальным размером нанокристаллитов (зерен) до 3…5 нм.

Несмотря на широкое применение в различных отраслях промышленности трехкомпонентных TiхZr1–хN пленок, их ФМС в научных работах чаще всего оцениваются микротвердостью, структурой, фазовым и элементным составом, определяемым в зависимости от технологических условий получения.

Микротвердость TiхZr1–хN пленки преимущественно зависит от Р, отношения Ti/Zr и размера ОКР [42]. При оптимальных условиях эксплуатации максимальная микротвердость TiхZr1–хN пленки соответствует 33 ГПа [43, 44]. Отношение Ti/Zr и, как следствие, микротвердость TiхZr1–хN пленки зависит от тока дуги Iд на соответствующих катодах [45]. Например,

31

Таблица 2 . 6

Физико-механические свойства, размер ОКР и внутренние напряжения в TiN пленках (Н3/Е*2 – стойкость пленки к пластической деформации)

Примечание. Метод осаждения – ЭДИ.

увеличение Iд на Ti и Zr катодах от 80 до 120 A приводит к изменению содержания Ti в трехкомпонентной пленке от 60 до 76 ат. %. Увеличение плотности потока Ti приводит к уменьшению параметра КР TiхZr1–хN пленки в связи с тем, что концентрация Ti в 2,2 раза выше, чем у Zr при одинаковых значениях Iд на Ti и Zr катодах [45]. Параметр КР TiхZr1–хN пленки увеличивается при уменьшении Iд на Ti катоде [45]. Величина физической характеристики TiхZr1–хN пленки, определенной методом индентирования поверхности испытуемого материала пирамидой Кнуппа, соответствует Е = 379 ГПа [46]. ФМС и ИАС известных трехкомпонентных TiхZr1–хN пленок представлены в табл. 2.7.

В табл. 2.8 приведены данные о зависимости ФМС Ti1−хAlхN пленки: Н, Е, Н/Е, H3/Е2 и Wе (упругое восстановление) от конкретного метода осаждения и содержания в Ti1−хAlхN пленке алюминия. Результаты исследований трибологических свойств Ti1–хAlхN пленки в зависимости от метода ее формирования (табл. 2.9) и морфологии поверхности немногочисленны, а в зависимости от ее фазового и элементного состава не установлены.

Четырехкомпонентная Ti-B-Si-N пленка при стехиометрическом составе гексагональной фазы Ti(B,N)2 обладает высоким уровнем микротвердости (70 ГПа). Контролируемое введение аморфизаторов, например B или Si, позволяет управлять структурой и свойствами наноструктуриро-

ванных Ti-B-Si-N пленок [28, 50, 51].

32

Таблица 2 . 7

Физико-механические и трибологические свойства трехкомпонентной TiхZr1–хN пленки, сформированной ЭДИ (I – интенсивность износа

Таблица 2 . 8

Физико-механические свойства Ti1–хAlхN пленки в зависимости от метода осаждения и содержания в нейAl (Е* – приведенный модуль упругости)

33

Окончание табл. 2 . 8

Таблица 2 . 9

Трибологические свойства Ti1–хAlхN пленки в зависимости от метода ее осаждения (f – коэффициент трения, V – средний объемный износ пленки за время испытаний, t/ m – износостойкость, h – высота изношенного сегмента)

*Среда – влажный воздух.

Зависимость ФМС, трибологических и коррозионных свойств Ti1–хAlхN и TiхZr1–хN пленок от ТехП осаждения описана в работах [26, 27, 29–33, 38, 39, 41, 48–52].

34

3. ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ, ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ, КОРРОЗИОННЫХ И АДГЕЗИОННЫХ СВОЙСТВ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ДВУХ-, ТРЕХ- И МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЕВ

3.1.ИЗУЧЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ, ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ

ИАДГЕЗИОННЫХ СВОЙСТВ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК

НА ОСНОВЕ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ TIN (ZrN) СЛОЕВ

На ФМС и трибологические свойства, изнашивающую способность МП на основе TiN (ZrN) слоев по отношению к контртелу оказывают влияние объемные доли входящих фаз, направление преимущественной кристаллографической ориентации, деформация КР, степень текстурированности и размер ОКР, изменяемые под влиянием ТехП и ТемП процесса осаждения.

Размер ОКР = 14…28 нм с-TiN (с-ZrN) фазы у сформированных наноструктурированых МП на основе TiN (ZrN) слоев неоднозначно влияет на их ФМС (рис. 3.1–3.4) и должен рассматриваться в совокупности со структурными и фазовыми характеристиками пленок, изменяемых под влиянием ТехП процесса осаждения.

Неравномерное изменение Н и Е и, как следствие, ухудшение стойкости к упругой деформации разрушения Н/Е, сопротивляемости пластической деформации HUpl3/Е*2 и упругого восстановления Wе вызвано увеличением размера ОКР, изменением текстуры слоя с однона двухкомпонентную, снижением степени текстурированности слоя, разноименной и значительно отличающейся по величине деформации КР основной c-TiN (с-ZrN) и дополнительной h-TiN0,3 (h-ZrN0,28) фаз (см. рис. 3.3).

Рост коэффициента f и момента трения Мтр, увеличение износа МП на основе TiN (ZrN) слоев и их изнашивающей способности по отношению к контртелу вызваны, кроме вышеприведенных структурных характеристик, увеличением неоднородности и дефектности слоев, уменьшением их фазовой характеристики – объемной доли основной c-TiN (с-ZrN) фазы, а также формированием на их поверхности различных образований, размер, структура и дефектность которых зависит от степени отклонения ТехП и ТемП от оптимальных величин (см. рис. 3.1–3.4).

35

ОКРTiN

VTiN

ea f Iпv

Рис. 3.3. Зависимости физико-механических (а, в, д, ж, и) и трибологических (б, г, е, з, к) свойств многослойных пленок на основе двухкомпонентных TiN слоев от размера ОКР, объемной доли и деформации КР c-TiN фазы, изменяемых

под действием ТехП ЭДИ: а, б) Р; в, г) Iд; д, е) Uсм; ж, з) L; и, к) N2 (см. также с. 39)

38