Влияние высоковольтного постоянного потенциала смещения на структуру и свойства многослойного композиционного материала MoN/CrN с разной толщиной слоев

Исследованы влияния высоковольтного постоянного потенциала смещения, давления азотной атмосферы и толщины слоев на фазовый и элементный составы, структуру и механические свойства композиционных многослойных покрытий CrN/MoN, полученных вакуумно-дуговым испарением в атмосфере азота. Установлено, что...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2016
Hauptverfasser:	Гранкин, С.С., Береснев, В.М., Соболь, О.В., Литовченко, С.В., Столбовой, В.А., Колесников, Д.А., Мейлехов, А.А., Постельник, А.А., Торяник, И.Н.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2016
Schriftenreihe:	Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:	Физика и технология конструкционных материалов
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111770
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Влияние высоковольтного постоянного потенциала смещения на структуру и свойства многослойного композиционного материала MoN/CrN с разной толщиной слоев / С.С. Гранкин, В.М. Береснев, О.В. Соболь, С.В. Литовченко, В.А. Столбовой, Д.А. Колесников, А.А. Мейлехов, А.А. Постельник, И.Н. Торяник // Вопросы атомной науки и техники. — 2016. — № 1. — С. 154-159. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-111770
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1117702025-02-23T17:15:00Z Влияние высоковольтного постоянного потенциала смещения на структуру и свойства многослойного композиционного материала MoN/CrN с разной толщиной слоев Вплив високовольтного постійного потенціалу зміщення на структуру і властивості багатошарового композиційного матеріалу MoN/CrN з різною товщиною шарів Influence of high-voltage constant potential bias on structure and properties of MoN/CrN multilayer composite with different layer thickness Гранкин, С.С. Береснев, В.М. Соболь, О.В. Литовченко, С.В. Столбовой, В.А. Колесников, Д.А. Мейлехов, А.А. Постельник, А.А. Торяник, И.Н. Физика и технология конструкционных материалов Исследованы влияния высоковольтного постоянного потенциала смещения, давления азотной атмосферы и толщины слоев на фазовый и элементный составы, структуру и механические свойства композиционных многослойных покрытий CrN/MoN, полученных вакуумно-дуговым испарением в атмосфере азота. Установлено, что при уменьшении толщины слоев от 200 до 15 нм при практически неизменном фазовом составе твердость снижается с 34 до 13 ГПа, что можно связать с повышением удельного вклада неравновесных границ. При меньшей толщине слоев, около 5 нм, происходит увеличение твердости, а адгезионная прочность достигает высокого значения (187,17 Н) критической точки разрушения покрытия. Обсуждены возможные механизмы зафиксированного повышения механических свойств покрытия. Досліджено вплив високовольтного постійного потенціалу зміщення, тиску азотної атмосфери і товщини шарів на фазовий і елементний склад, структуру і механічні властивості композиційних багатошарових покриттів CrN/MoN, отриманих вакуумно-дуговим випаром в атмосфері азоту. Встановлено, що при зменшенні товщини шарів від 200 до 15 нм при практично незмінному фазовому складі твердість знижується з 34 до 13 ГПа, що можна зв'язати з підвищенням питомого внеску нерівноважних меж. При меншій товщині шарів, близько 5 нм, відбувається збільшення твердості, а адгезійна міцність досягає високого значення (187,17 Н) критичної точки руйнування покриття. Обговорено можливі механізми зафіксованого підвищення механічних властивостей покриття. Influence of high-voltage constant potential bias, pressure of nitrogen atmosphere, and thickness of layers on the phase and elemental composition, structure and mechanical properties of the composite multilayer coatings CrN/MoN, which were prepared by the nitrogen vacuum-arc evaporation in atmosphere, was studied. It was determined that when the layer thickness is reduced from 200 to 15 nm at almost invariable phase the structural hardness decreases from 34 GPa to 13 GPa what may be accounted for increase of the specific contribution of nonequilibrium at boundaries. When the layers thickness is smaller, e.g. of about 5 nm, the hardness increases, and adhesion strength reaches (187.17 Н) of the coating destruction critical point. Some possible mechanisms of the fixed increase of the coating mechanical properties are considered. 2016 Article Влияние высоковольтного постоянного потенциала смещения на структуру и свойства многослойного композиционного материала MoN/CrN с разной толщиной слоев / С.С. Гранкин, В.М. Береснев, О.В. Соболь, С.В. Литовченко, В.А. Столбовой, Д.А. Колесников, А.А. Мейлехов, А.А. Постельник, И.Н. Торяник // Вопросы атомной науки и техники. — 2016. — № 1. — С. 154-159. — Бібліогр.: 18 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111770 669.295.539.121 ru Вопросы атомной науки и техники application/pdf Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов
spellingShingle	Физика и технология конструкционных материалов Физика и технология конструкционных материалов Гранкин, С.С. Береснев, В.М. Соболь, О.В. Литовченко, С.В. Столбовой, В.А. Колесников, Д.А. Мейлехов, А.А. Постельник, А.А. Торяник, И.Н. Влияние высоковольтного постоянного потенциала смещения на структуру и свойства многослойного композиционного материала MoN/CrN с разной толщиной слоев Вопросы атомной науки и техники
description	Исследованы влияния высоковольтного постоянного потенциала смещения, давления азотной атмосферы и толщины слоев на фазовый и элементный составы, структуру и механические свойства композиционных многослойных покрытий CrN/MoN, полученных вакуумно-дуговым испарением в атмосфере азота. Установлено, что при уменьшении толщины слоев от 200 до 15 нм при практически неизменном фазовом составе твердость снижается с 34 до 13 ГПа, что можно связать с повышением удельного вклада неравновесных границ. При меньшей толщине слоев, около 5 нм, происходит увеличение твердости, а адгезионная прочность достигает высокого значения (187,17 Н) критической точки разрушения покрытия. Обсуждены возможные механизмы зафиксированного повышения механических свойств покрытия.
format	Article
author	Гранкин, С.С. Береснев, В.М. Соболь, О.В. Литовченко, С.В. Столбовой, В.А. Колесников, Д.А. Мейлехов, А.А. Постельник, А.А. Торяник, И.Н.
author_facet	Гранкин, С.С. Береснев, В.М. Соболь, О.В. Литовченко, С.В. Столбовой, В.А. Колесников, Д.А. Мейлехов, А.А. Постельник, А.А. Торяник, И.Н.
author_sort	Гранкин, С.С.
title	Влияние высоковольтного постоянного потенциала смещения на структуру и свойства многослойного композиционного материала MoN/CrN с разной толщиной слоев
title_short	Влияние высоковольтного постоянного потенциала смещения на структуру и свойства многослойного композиционного материала MoN/CrN с разной толщиной слоев
title_full	Влияние высоковольтного постоянного потенциала смещения на структуру и свойства многослойного композиционного материала MoN/CrN с разной толщиной слоев
title_fullStr	Влияние высоковольтного постоянного потенциала смещения на структуру и свойства многослойного композиционного материала MoN/CrN с разной толщиной слоев
title_full_unstemmed	Влияние высоковольтного постоянного потенциала смещения на структуру и свойства многослойного композиционного материала MoN/CrN с разной толщиной слоев
title_sort	влияние высоковольтного постоянного потенциала смещения на структуру и свойства многослойного композиционного материала mon/crn с разной толщиной слоев
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2016
topic_facet	Физика и технология конструкционных материалов
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/111770
citation_txt	Влияние высоковольтного постоянного потенциала смещения на структуру и свойства многослойного композиционного материала MoN/CrN с разной толщиной слоев / С.С. Гранкин, В.М. Береснев, О.В. Соболь, С.В. Литовченко, В.А. Столбовой, Д.А. Колесников, А.А. Мейлехов, А.А. Постельник, И.Н. Торяник // Вопросы атомной науки и техники. — 2016. — № 1. — С. 154-159. — Бібліогр.: 18 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT grankinss vliânievysokovolʹtnogopostoânnogopotencialasmeŝeniânastrukturuisvojstvamnogoslojnogokompozicionnogomaterialamoncrnsraznojtolŝinojsloev AT beresnevvm vliânievysokovolʹtnogopostoânnogopotencialasmeŝeniânastrukturuisvojstvamnogoslojnogokompozicionnogomaterialamoncrnsraznojtolŝinojsloev AT sobolʹov vliânievysokovolʹtnogopostoânnogopotencialasmeŝeniânastrukturuisvojstvamnogoslojnogokompozicionnogomaterialamoncrnsraznojtolŝinojsloev AT litovčenkosv vliânievysokovolʹtnogopostoânnogopotencialasmeŝeniânastrukturuisvojstvamnogoslojnogokompozicionnogomaterialamoncrnsraznojtolŝinojsloev AT stolbovojva vliânievysokovolʹtnogopostoânnogopotencialasmeŝeniânastrukturuisvojstvamnogoslojnogokompozicionnogomaterialamoncrnsraznojtolŝinojsloev AT kolesnikovda vliânievysokovolʹtnogopostoânnogopotencialasmeŝeniânastrukturuisvojstvamnogoslojnogokompozicionnogomaterialamoncrnsraznojtolŝinojsloev AT mejlehovaa vliânievysokovolʹtnogopostoânnogopotencialasmeŝeniânastrukturuisvojstvamnogoslojnogokompozicionnogomaterialamoncrnsraznojtolŝinojsloev AT postelʹnikaa vliânievysokovolʹtnogopostoânnogopotencialasmeŝeniânastrukturuisvojstvamnogoslojnogokompozicionnogomaterialamoncrnsraznojtolŝinojsloev AT torânikin vliânievysokovolʹtnogopostoânnogopotencialasmeŝeniânastrukturuisvojstvamnogoslojnogokompozicionnogomaterialamoncrnsraznojtolŝinojsloev AT grankinss vplivvisokovolʹtnogopostíjnogopotencíaluzmíŝennânastrukturuívlastivostíbagatošarovogokompozicíjnogomateríalumoncrnzríznoûtovŝinoûšarív AT beresnevvm vplivvisokovolʹtnogopostíjnogopotencíaluzmíŝennânastrukturuívlastivostíbagatošarovogokompozicíjnogomateríalumoncrnzríznoûtovŝinoûšarív AT sobolʹov vplivvisokovolʹtnogopostíjnogopotencíaluzmíŝennânastrukturuívlastivostíbagatošarovogokompozicíjnogomateríalumoncrnzríznoûtovŝinoûšarív AT litovčenkosv vplivvisokovolʹtnogopostíjnogopotencíaluzmíŝennânastrukturuívlastivostíbagatošarovogokompozicíjnogomateríalumoncrnzríznoûtovŝinoûšarív AT stolbovojva vplivvisokovolʹtnogopostíjnogopotencíaluzmíŝennânastrukturuívlastivostíbagatošarovogokompozicíjnogomateríalumoncrnzríznoûtovŝinoûšarív AT kolesnikovda vplivvisokovolʹtnogopostíjnogopotencíaluzmíŝennânastrukturuívlastivostíbagatošarovogokompozicíjnogomateríalumoncrnzríznoûtovŝinoûšarív AT mejlehovaa vplivvisokovolʹtnogopostíjnogopotencíaluzmíŝennânastrukturuívlastivostíbagatošarovogokompozicíjnogomateríalumoncrnzríznoûtovŝinoûšarív AT postelʹnikaa vplivvisokovolʹtnogopostíjnogopotencíaluzmíŝennânastrukturuívlastivostíbagatošarovogokompozicíjnogomateríalumoncrnzríznoûtovŝinoûšarív AT torânikin vplivvisokovolʹtnogopostíjnogopotencíaluzmíŝennânastrukturuívlastivostíbagatošarovogokompozicíjnogomateríalumoncrnzríznoûtovŝinoûšarív AT grankinss influenceofhighvoltageconstantpotentialbiasonstructureandpropertiesofmoncrnmultilayercompositewithdifferentlayerthickness AT beresnevvm influenceofhighvoltageconstantpotentialbiasonstructureandpropertiesofmoncrnmultilayercompositewithdifferentlayerthickness AT sobolʹov influenceofhighvoltageconstantpotentialbiasonstructureandpropertiesofmoncrnmultilayercompositewithdifferentlayerthickness AT litovčenkosv influenceofhighvoltageconstantpotentialbiasonstructureandpropertiesofmoncrnmultilayercompositewithdifferentlayerthickness AT stolbovojva influenceofhighvoltageconstantpotentialbiasonstructureandpropertiesofmoncrnmultilayercompositewithdifferentlayerthickness AT kolesnikovda influenceofhighvoltageconstantpotentialbiasonstructureandpropertiesofmoncrnmultilayercompositewithdifferentlayerthickness AT mejlehovaa influenceofhighvoltageconstantpotentialbiasonstructureandpropertiesofmoncrnmultilayercompositewithdifferentlayerthickness AT postelʹnikaa influenceofhighvoltageconstantpotentialbiasonstructureandpropertiesofmoncrnmultilayercompositewithdifferentlayerthickness AT torânikin influenceofhighvoltageconstantpotentialbiasonstructureandpropertiesofmoncrnmultilayercompositewithdifferentlayerthickness
first_indexed	2025-11-24T02:19:23Z
last_indexed	2025-11-24T02:19:23Z
_version_	1849636436024754176
fulltext	154 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2016. №1(101) УДК 669.295.539.121 ВЛИЯНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПОСТОЯННОГО ПОТЕНЦИАЛА СМЕЩЕНИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА MoN/CrN С РАЗНОЙ ТОЛЩИНОЙ СЛОЕВ С.С. Гранкин 1 , В.М. Береснев 1 , О.В. Соболь 2 , С.В. Литовченко 1 , В.А. Столбовой 3 , Д.А. Колесников 4 , А.А. Мейлехов 2 , А.А. Постельник 2 , И.Н. Торяник 1 1 Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Харьков, Украина E-mail: beresnev@ yadex.ru; 2 НТУ «Харьковский политехнический институт», Харьков, Украина; 3 ННЦ «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина; 4 Белгородский государственный национальный исследовательский университет, Белгород, Россия Исследованы влияния высоковольтного постоянного потенциала смещения, давления азотной атмосферы и толщины слоев на фазовый и элементный составы, структуру и механические свойства композиционных многослойных покрытий CrN/MoN, полученных вакуумно-дуговым испарением в атмосфере азота. Уста- новлено, что при уменьшении толщины слоев от 200 до 15 нм при практически неизменном фазовом составе твердость снижается с 34 до 13 ГПа, что можно связать с повышением удельного вклада неравновесных границ. При меньшей толщине слоев, около 5 нм, происходит увеличение твердости, а адгезионная проч- ность достигает высокого значения (187,17 Н) критической точки разрушения покрытия. Обсуждены воз- можные механизмы зафиксированного повышения механических свойств покрытия. В последнее время активно разрабатываются и внедряются в производство новые материалы для режущих инструментов. Кроме создания новых ви- дов твердых сплавов и марок быстрорежущих ста- лей большое внимание уделяется защите от износа поверхностного слоя инструмента и сохранению его геометрии при повышенных режимах обработки. Одним из главных направлений в этой деятельности является разработка и нанесение износостойких по- крытий на режущие инструменты [1, 2]. Уже счита- ется доказанным тот факт, что покрытия способны увеличить производительность инструмента и повы- сить качество обработанной поверхности. Поскольку формирование покрытия является од- ним из наиболее эффективных путей придания не- обходимых функциональных свойств поверхности (поверхностная инженерия) [36], бóльшее внима- ние уделяется изучению связи между условиями осаждения и структурой покрытия. Использование высокопроизводительного вакуумно-дугового мето- да осаждения позволяет получать покрытия, кото- рые способны работать в условиях высоких темпе- ратур и давлений при одновременном воздействии агрессивных сред и интенсивном износе [710]. К числу наиболее перспективных материалов, обеспе- чивающих хорошую износостойкость и коррозион- ную стойкость лезвийных инструментов, работаю- щих при высоких скоростях резания, относится нит- рид хрома [1114]. В отличие от нитрида титана ТiN, который в настоящее время наиболее широко используется в промышленности, СrN проявляет высокую температурную стабильность и имеет бо- лее низкий коэффициент трения. Однако однослойное покрытие из нитрида хрома не имеет достаточную твердость и в значительной степени подвержено абразивному износу. Одним из наиболее перспективных направлений повышения рабочих характеристик нитридов путем их перевода в наноструктурное состояние является создание многослойных структур с наноразмерной толщиной слоев [1517]. При этом чередованием двух или бо- лее слоев материала с различными физико- механическими характеристиками можно в значи- тельной степени изменять свойства системы, в том числе концентрацию напряжений и распространение трещин, в результате достигая повышения вязкости разрушения материала. В качестве второго слоя в такой системе перспективным может быть соедине- ние MoN, высокие механические свойства которого [18] хорошо дополняют свойства CrN. Целью данной работы было развитие метода структурной инженерии применительно к компози- ту CrN/MoN с разной толщиной слоев, осаждаемых при варьировании давления рабочей азотной атмо- сферы и величины отрицательного потенциала сме- щения, подаваемого на подложку в процессе оса- ждения. ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКИ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ Образцы были получены вакуумно-дуговым ме- тодом на модернизированной установке «Булат-6» [19]. Давление рабочей атмосферы (азота) при оса- ждении составляло PN = (7…30)10 -4 Торр, скорость осаждения при этом достигала 3 нм/с. Осаждение осуществлялось из двух источников (Mo и Cr) при непрерывном вращении закрепленных образцов со скоростью 8 об./мин. При осаждении в течение 60 мин получали покрытие с общим числом слоев 960 (или 480 бислойных периодов) и общей толщи- ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2016. №1(101) 155 ной около 9 мкм. В процессе осаждения на подлож- ки подавался постоянный отрицательный потенциал величиной Us = 20, 40, 150, 300 В. Фазово-структурный анализ проводился методом рентгеновской дифрактометрии в излучении Cu-kα. Разделение профилей на составляющие осуществля- лось с использованием пакета программ «New- Profile». Твердость измерялась методом микроиндентиро- вания с алмазной пирамидкой Виккерса в качестве индентора при нагрузках 25, 50 и 100 г. Исследова- ние производилось на приборе 402MVD фирмы Instron Wolpert Wilson Instruments. Определение адгезионной и когезионной проч- ности, стойкости к царапанию и выяснение меха- низма разрушения покрытий выполнялось с приме- нением скретч-тестера Revetest (CSM Instruments). На поверхность покрытия алмазным сферическим индентором с радиусом закругления 200 мкм нано- сились царапины при линейно возрастающей нагрузке. Одновременно с нагружением регистри- ровались интенсивность сигналов акустической эмиссии (АЭ), коэффициент трения, глубина про- никновения индентора и величина нормальной нагрузки на него. Для получения статистически до- стоверных результатов на поверхности каждого об- разца с покрытием наносили три царапины. При испытаниях нагрузка на индентор нарастала от 0,9 до 70 Н со скоростью 6,91 Н/мин, скорость переме- щения индентора составляла 1 мм/мин, длина цара- пины  10 мм, частота дискретности сигнала аку- стической эмиссии  60 Гц, мощность сигнала аку- стической эмиссии  9 дБ. Морфология поверхно- сти, фрактограммы излома и дорожки трения иссле- довались на растровом электронном микроскопе FEI Nova NanoSEM 450. Элементный состав покрытий анализировался по спектрам характеристического рентгеновского излучения, полученным на встроен- ном в микроскоп энергодисперсионном спектромет- ре рентгеновского излучения системы PEGASUS (EDAX). РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ На рис. 1 показаны данные анализа элементного состава покрытия в зависимости от давления азота PN и подаваемого отрицательного потенциала Us. Содержание азота (легкого элемента внедрения) в определяющей мере зависит от величины PN при осаждении (см. рис. 1,а). Влияние Us менее суще- ственно (см. рис. 1,б), оно проявляется в относи- тельном уменьшении атомной концентрации азота при больших Us (см. рис. 1,б, кривая 1). Причиной такого уменьшения может быть селек- тивное вторичное распыление с поверхности роста. Отметим, что усиление связи между осаждаемым металлом и атмосферным азотом при высоком дав- лении PN приводит к стабилизации состава покры- тия до существенно больших значений Us (см. рис. 1,б, кривая 2), при этом рост Us сопровождается по- вышением однородности покрытия вследствие уменьшения капельной составляющей в нем (рис. 2). Соотношение в покрытии металлов Mo и Cr (рис. 3,а) зависит от Us (см. рис. 3,б), причем при низких давлениях азота эта зависимость сильнее (см. рис. 3,б, кривая 1), чем при больших давлениях (см. рис. 3,б, кривая 2). Причиной наблюдаемого эффекта является более высокая средняя энергия бомбарди- рующих растущее покрытие ионов Mo и Cr и мень- шие потери энергии ионов при низком PN. Полученные результаты свидетельствуют, что наиболее чувствительными, а следовательно, наибо- лее изменяемыми, являются покрытия, осажденные при наибольшем отрицательном потенциале смеще- ния, подаваемом на подложку (Us = -300 В). Покры- тия, полученные в таких условиях, исследованы более детально. 1E-3 0,002 0,003 0,0040,005 0 5 10 15 20 25 N , at .% P N , Torr a 0 50 100 150 200 250 300 0 5 10 15 20 25 1 N , at .% -Us, V 2 b а б Рис. 1. Изменения содержания азота в покрытии в зависимости от: а  давления при осаждении (PN) при постоянном Us = -70 В; б  потенциала смещения при постоянном PN = 7∙10 -4 (1) и 3∙10 -3 Торр (2) Торр В ат .% ат .% 156 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2016. №1(101) а б Рис. 2. Морфология поверхности покрытия при Us = -20 (а) и -150 В (б) 0 50 100 150 200 250 300 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1 M o (a t. )/ C r( at .) -Us, V 2 c а б Рис. 3. Металлы в покрытии (а) и зависимости их соотношения от -Us при PN = 7∙10 -4 (1) и 3∙10 -3 Торр (2) Рентгеновские исследования покрытий (рис. 4) показали, что в покрытиях толщиной около 7 нм, полученных при непрерывном вращении образцов, происходит формирование низших по азоту фаз. Для слоя Mo-N  это фаза γ-Mo2N с кубической ре- шеткой (структурный тип NaCl, JCPDS 25-1366), а в слоях системы Cr-N – фаза β-Cr2N с гексагональной решеткой (JCPDS 35-0803). Фаза γ-Mo2N имеет большую область гомогенности, а кубическая ре- шетка наиболее стабильна при сильнонеравновес- ных вакуумно-дуговых методах получения [18], вследствие чего с увеличением толщины слоев дан- ная фаза остается основной в прослойках системы Mo-N. В прослойках Cr-N с увеличением толщины происходит формирование изоморфной по отноше- нию к γ-Mo2N фазы CrN с кубической решеткой (структурный тип NaCl, JCPDS 11-0065). Отметим, что с увеличением толщины слоев удельный вклад межфазного взаимодействия уменьшается, и на ди- фракционных спектрах выявляются только изоструктурные пики (200)CrN/(200)γ-Mo2N (см. рис. 4, спектры 46). Исследования механических свойств таких по- крытий (по наиболее экспрессной и универсальной характеристике – твердости) показывают, что для толщины 10 нм и более наблюдается повышение твердости с увеличением толщины слоев, когда вклад межфазного взаимодействия минимизируется (рис. 5,а). Причиной сравнительно высокой твердо- сти наименьших по толщине слоев (в покрытиях, полученных при непрерывном вращении) может быть размерный эффект или образование некоге- рентной (с разным типом кристаллических решеток) межфазной границы в слоях. Образование низших фаз в обеих системах при меньшем давлении (при содержании азота в покры- тии не более 17 ат.%) приводит к сильному падению твердости (см. рис. 5,б), что связано с наличием большого числа вакансий в азотной подрешетке при сильнонеравновесном состоянии покрытия в таком случае. Испытания адгезионной прочности покрытий с наименее тонкими слоями, в которых ожидался наибольший размерный эффект повышения твердо- сти, зафиксировали (рис. 6) достаточно равномерное изменение характеристик при росте нагрузки на ин- дентор, износ покрытия происходит без образования лавинных сколов, что подтверждает, в частности, характер кривой акустической эмиссии. Коэффици- ент трения по мере износа при этом изменяется от 0,18 до 0,36. В кэВ ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2016. №1(101) 157 40 42 44 46 0 1500 3000 4500 6000 7500 (1 1 1 ) -C r 2 N (2 0 0 ) -M o 2 N (2 0 0 )C rN I, a rb . u n . 2, degr. 1 2 3 4 5 6 Рис. 4. Участки спектров покрытий, полученных при PN = 3∙10 -3 Торр и Us = - 300В при толщинах слоев: около 7 нм – непрерывный режим (1); около 12 нм (2); 25 нм (3); 50 нм (4); 100 нм (5); 200 нм (6) 0 50 100 150 200 250 10 15 20 25 30 35 40 H , G P a h, nm a 0,001 0,002 0,003 0 5 10 15 20 25 30 35 б H , G P a P N , Torr а б Рис. 5. Зависимости твердости покрытий от толщины слоев (а) и давления (б); осаждение при Us = - 300 В Рис. 6. Результаты склерометрии покрытий толщиной около 5 нм Г П а Торр нм 158 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2016. №1(101) Пластичный и равномерный характер износа позволяет получить высокие значения параметров когезионного и адгезионного разрушений покрытия (Lc1 = 13,56 Н, Lc2 = 46,3 Н, Lc3 = 187,17 Н). Равно- мерность износа хорошо иллюстрируют изображе- ния дорожек износа (рис. 7), данное свойство по- крытия можно связать с пластификацией и повыше- нием прочности при переходе на наноразмерный уровень структурных составляющих. а б Рис. 7. Дорожки износа в области нагрузок критических точек Lc1 (а) и Lc2 (б) для MoN/CrN-покрытия с толщиной около 5 нм, полученного при непрерывном вращении при PN = 3 . 10 -3 Торр и Us = -300 В ВЫВОДЫ Большой отрицательный постоянный потенциал смещения (-150 и -300 В) при осаждении нитридов с относительно невысокой теплотой образования (си- стемы Mo-N и Cr-N) приводит к образованию в тон- ких нанометровых слоях низших азотных фаз. Давление рабочей атмосферы при осаждении существенно влияет на фазово-структурное состоя- ние покрытий. Понижение давления приводит к не- достатку азота в покрытии по сравнению со стехио- метрическим составом, что сопровождается не- устойчивостью фазово-структурного состояния по- крытия и резким падением его твердости. Увеличение толщины слоев до 100 нм и более приводит к повышению твердости и адгезионной прочности, что вызвано уменьшением удельного вклада неустойчивых границ. Приемлемая твердость тонких (менее 10 нм) по- крытий может быть обусловлена наноразмерными эффектами, обеспечивающими высокую адгезион- ную стойкость и равномерный износ покрытий. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Nanostructured coatings / Edited by: Cavaleiro, Albano, De Hosson, Jeff Th.M. Springer-Verlag, 2006, 648 p. 2. P.H. Mayrhofer, C. Mitterer, L. Hultman, H. Clemens. Microstructural design of hard coatings // Progress in Materials Science. 2016, v. 51, p. 1032- 1114. 3. O.V. Sobol’. Control of the Structure and Stress State of thin films and coatings in the process of their preparation by ion-plasma methods // Physics of the Solid State. 2011, v. 53, N 7, p. 1464-1473. 4. O.V. Sobol’, O.N. Grigorjev, Yu.A. Kunitsky, S.N. Dub, A.A. Podtelezhnikov, A.N. Stetsenko. Pecu- liarities of Structure State and Mechanical Characteris- tics in ion-Plasma Condensates of Quasibinary System Borides W2B5-TiB2 // Science of Sintering. 2006, v. 38, p. 63-72. 5. Р.А. Андреевский. Влияние облучений на свойства наноматериалов // Физика металлов и ме- талловедение. 2010, т. 110, с. 243-254. 6. R.A. Andrievski. Behavior of radiation defects in nanomaterials // Review on Advanced Materials Sci- ence. 2011, v. 29, p. 56-67. 7. F. Lomello, F. Sanchette, F. Schuster, M. Tabarant, A. Billard. Influence of bias voltage on properties of AlCrN coatings prepared by cathodic ars deposition// Surf. & Coat. Tech. 2013, v. 224, p. 77-81. 8. Z.H. Xie, M. Hoffman, P. Munroe, R. Singh, A. Bendavid, P.J. Martin. Microstructural response of TiN monolithic and multilayer coatings during mi- croscratch testing //Journal of Materials Research. 2007, v. 22, N 8, p. 2312-2318. 9. K. Lukaszkowicz, L.A. Dobrzański, A. Zarychta, L. Cunha. Mechanical properties of multilayer coatings deposited by PVD techniques onto the brass substrate // J. of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2006, v. 15, N 1-2, p. 47-52. 10. R. Krause-Rehberg, A. D. Pogrebnyak, V.N. Borisyuk, et al. Analysis of local regions near interfaces in nanostructured multicomponent (Ti-Zr-Hf- V-Nb)N coatings produced by the cathodic-arc-vapor- deposition from an arc of an evaporating cathode // Physics of Metals and Metallography. 2013, v. 114, N 8, p. 672-680. 11. Juergen M. Lackner, Wolfgang Waldhauser, Lukasz Majo, Marcin Kot. Tribology and Microme- chanics of Chromium Nitride Based Multilayer Coat- ings on Soft and Hard Substrates // Coatings. 2014, N 4, p. 121-138. 12. А.Г. Гугля, И.М. Неклюдов. Покрытия на базе нитрида хрома. Опыт создания и исследования // Успехи физ. мет. 2005, №6, c. 197-232. мкм мкм http://journals.cambridge.org/action/displayJournal?jid=JMR ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2016. №1(101) 159 13. A. Gilewicz, B. Warcholinski. Tribological properties of CrCN/CrN multilayer coatings // Tribology International. 2014, v. 80, p. 34-40. 14. M. Ertas, A.C. Onel, G. Ekinci, et al. Investiga- tion of VN/TiN Multilayer Coatings on AZ91D Mg alloys // International Journal of Chemical, Nuclear, Materials and Metallurgical Engineering. 2015, v. 9, N 1, p. 53-57. 15. H.C. Barshilia, K.S. Rajam. Deposition of TiN/CrN hard superlattices by reactive d.c. magnetron sputtering // Bull. Mater. Sci. 2013, v. 26, N 2, p. 233- 237. 16. M.S. Konchady, S. Yarmolenko, D.M. Pai, J. Sankar. Nanoindentation, Nanoscratch, and Wear Studies on Nanoscale Multilayer TiN/CrN Coatings // ASME 2009 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. 2009, v. 14, p. 55-59. 17. O.V. Sobol’, A.A. Andreev, V.A. Stolbovoi, V.E. Fil’chikov. Structural-phase and stressed state of vacuum-arc-deposited nanostructural Mo-N coatings controlled by substrate bias during deposition // Tech- nical Physics Letters. 2012, v. 38, N 2, p. 168-171. 18. O.V. Sobol’, A.A. Andreev, S.N. Grigoriev, et al. Physical characteristics, structure and stress state of vacuum-arc tin coating, deposition on the substrate when applying high-voltage pulse during the deposition // Problems of Atomic Science and Technology. 2011, N 4(74), c. 174-177. Статья поступила в редакцию 02.11.2015 г. ВПЛИВ ВИСОКОВОЛЬТНОГО ПОСТІЙНОГО ПОТЕНЦІАЛУ ЗМІЩЕННЯ НА СТРУКТУРУ І ВЛАСТИВОСТІ БАГАТОШАРОВОГО КОМПОЗИЦІЙНОГО МАТЕРІАЛУ MoN/CrN З РІЗНОЮ ТОВЩИНОЮ ШАРІВ С.С. Гранкін, В.М. Береснєв, О.В. Соболь, С.В. Литовченко, В.А. Столбовий, Д.О. Колесніков, А.О. Мейлехов, Г.О. Постельник, І.Н. Торяник Досліджено вплив високовольтного постійного потенціалу зміщення, тиску азотної атмосфери і товщи- ни шарів на фазовий і елементний склад, структуру і механічні властивості композиційних багатошарових покриттів CrN/MoN, отриманих вакуумно-дуговим випаром в атмосфері азоту. Встановлено, що при змен- шенні товщини шарів від 200 до 15 нм при практично незмінному фазовому складі твердість знижується з 34 до 13 ГПа, що можна зв'язати з підвищенням питомого внеску нерівноважних меж. При меншій товщині шарів, близько 5 нм, відбувається збільшення твердості, а адгезійна міцність досягає високого значення (187,17 Н) критичної точки руйнування покриття. Обговорено можливі механізми зафіксованого підвищен- ня механічних властивостей покриття. INFLUENCE OF HIGH-VOLTAGE CONSTANT POTENTIAL BIAS ON STRUCTURE AND PROPERTIES OF MoN/CrN MULTILAYER COMPOSITE WITH DIFFERENT LAYER THICKNESS S.S. Grankin, V.M. Beresnev, O.V. Sobol’, S.V. Lytovchenko, V.A. Stolbovoy, D.A. Kolesnikov, A.A. Meylekhov, A.A. Postelnyk, I.N. Toryanik Influence of high-voltage constant potential bias, pressure of nitrogen atmosphere, and thickness of layers on the phase and elemental composition, structure and mechanical properties of the composite multilayer coatings CrN/MoN, which were prepared by the nitrogen vacuum-arc evaporation in atmosphere, was studied. It was deter- mined that when the layer thickness is reduced from 200 to 15 nm at almost invariable phase the structural hardness decreases from 34 GPa to 13 GPa what may be accounted for increase of the specific contribution of nonequilibrium at boundaries. When the layers thickness is smaller, e.g. of about 5 nm, the hardness increases, and adhesion strength reaches (187.17 Н) of the coating destruction critical point. Some possible mechanisms of the fixed increase of the coating mechanical properties are considered. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301679X14002400 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0301679X14002400 http://www.sciencedirect.com/science/journal/0301679X http://www.sciencedirect.com/science/journal/0301679X http://www.sciencedirect.com/science/journal/0301679X/80/supp/C http://proceedings.asmedigitalcollection.asme.org/solr/searchresults.aspx?author=Manohar+S.+Konchady&q=Manohar+S.+Konchady http://proceedings.asmedigitalcollection.asme.org/solr/searchresults.aspx?author=Sergey+Yarmolenko&q=Sergey+Yarmolenko http://proceedings.asmedigitalcollection.asme.org/solr/searchresults.aspx?author=Devdas+M.+Pai&q=Devdas+M.+Pai http://proceedings.asmedigitalcollection.asme.org/solr/searchresults.aspx?author=Jag+Sankar&q=Jag+Sankar https://inis.iaea.org/search/search.aspx?orig_q=RN:44068735 https://inis.iaea.org/search/search.aspx?orig_q=RN:44068735 https://inis.iaea.org/search/search.aspx?orig_q=RN:44068735

Влияние высоковольтного постоянного потенциала смещения на структуру и свойства многослойного композиционного материала MoN/CrN с разной толщиной слоев

Institution

Ähnliche Einträge