Трибологические характеристики и механические свойства многослойных вакуумно-дуговых покрытий TiN/ZrN
Методом вакуумно-дугового осаждения синтезированы наноструктурированные многослойные покрытия TiN/ZrN c их числом 134…533 и средней толщиной 20…125 нм. Выявлена хорошая планарность получаемых в нанометровом диапазоне слоев из плазменных потоков в реактивной среде. В качестве модели критических рабоч...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2015 |
| Main Authors: | , , , , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2015
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112290 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Трибологические характеристики и механические свойства многослойных вакуумно-дуговых покрытий TiN/ZrN / С.С. Гранкин, В.А. Столбовой, У.С. Немченко, В.М. Береснев, О.В. Соболь, С.В. Литовченко, П.В. Турбин, В.Ю. Новиков, З.Н. Проценко // Вопросы атомной науки и техники. — 2015. — № 5. — С. 70-76. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-112290 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Гранкин, С.С. Столбовой, В.А. Немченко, У.С. Береснев, В.М. Соболь, О.В. Литовченко, С.В. Турбин, П.В. Новиков, В.Ю. Проценко, З.Н. 2017-01-19T20:11:52Z 2017-01-19T20:11:52Z 2015 Трибологические характеристики и механические свойства многослойных вакуумно-дуговых покрытий TiN/ZrN / С.С. Гранкин, В.А. Столбовой, У.С. Немченко, В.М. Береснев, О.В. Соболь, С.В. Литовченко, П.В. Турбин, В.Ю. Новиков, З.Н. Проценко // Вопросы атомной науки и техники. — 2015. — № 5. — С. 70-76. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112290 669.295.539.121 Методом вакуумно-дугового осаждения синтезированы наноструктурированные многослойные покрытия TiN/ZrN c их числом 134…533 и средней толщиной 20…125 нм. Выявлена хорошая планарность получаемых в нанометровом диапазоне слоев из плазменных потоков в реактивной среде. В качестве модели критических рабочих условий покрытий установлены механизмы фазово-структурных изменений в поверхностных слоях в условиях действия агрессивной кислородной атмосферы при высокой температуре (700 ºC). Показано влияние толщинного параметра многослойной системы на ее твердость. Установлено, что наибольшая твердость (42 ГПа) и наименьший абразивный износ покрытия (1,3∙10⁻⁵ мм³∙Н⁻¹∙мм⁻¹) и контртела (1,9∙10⁻⁶ мм³ ∙Н⁻¹∙мм⁻¹) присущи системе TiN/ZrN с наименьшей толщиной слоев 20 нм в периоде. Полученные результаты объяснены влиянием размерного фактора межфазных границ, многократно усиливающимся в многослойной системе с нанометровой толщиной слоев. Методом вакуумно-дугового осадження синтезовані наноструктуровані багатошарові покриття TiN/ZrN c числом шарів 134...533 і їх середньою товщиною 20...125 нм. Виявлено хороша планарність, яка одержана у нанометровому діапазоні шарів з плазмових потоків у реактивному середовищі. Як модель критичних робочих умов покриттів встановлені механізми фазово-структурних змін у поверхневих шарах в умовах дії агресивної кисневої атмосфери при високій температурі (700 ºC). Показано вплив товщинного параметра багатошарової системи на її твердість. Встановлено, що найвища твердість (42 ГПа) і найменше абразивне зношування покриття (1,3∙10⁻⁵ мм³∙Н⁻¹∙мм⁻¹) і контртіла (1,9∙10⁻⁶ мм³ ∙Н⁻¹∙мм⁻¹) властиві системі TiN/ZrN з най-меншою товщиною шарів 20 нм у періоді. Отримані результати пояснені впливом розмірного фактора міжфазних границь багаторазово посилюється в багатошаровій системі з нанометровою товщиною шарів. Nanostructured multilayered coatings TiN/ZrN with 134...533 layers and the average thickness of layers of 20...125 nm have been synthesized by means of vacuum-arc deposition method. Good planarity of the layers obtained in nanometer scale from plasma flows in reaction medium has been revealed. As a model of critical working conditions of the coatings, the mechanisms of structural and phase changes in surface layers at conditions of influence of aggressive oxygen atmosphere at high temperature (700 ºC) have been determined. The influence of thickness parameter of multilayered system on its hardness has been shown. It has been determined, that the highest hardness of 42 GPa and the lowest abrasive wear of the coating 1.3∙10⁻⁵ mm³∙N⁻¹∙mm⁻¹ and the counterbody 1.9∙10⁻⁶ mm³∙N⁻¹∙mm⁻¹ are inherent to the system TiN/ZrN with the minimal thickness of the layers of 20 nm in a period. The obtained results have been explained by the influence of dimensional factor of interphase borders, which is multiply enhanced in multilayered system with the nanometer scale thickness of the coatings. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Министерства образования и науки Украины по темам научно-исследовательских работ 76 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №5(99) 0113U001079, 0115U000508, 0115U000477 и 0115U003166. Часть исследований выполненa на научном оборудовании Центра коллективного пользования «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» Белгородского государственного национального исследовательского университета, при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках проекта №14.594.21.0010, уникальный код RFMEFI59414X0010. ru Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Физика радиационных и ионно-плазменных технологий Трибологические характеристики и механические свойства многослойных вакуумно-дуговых покрытий TiN/ZrN Трибологічні характеристики і механічні властивості багатошарових вакуумно-дугових покриттів TiN/ZrN Tribological characteristics and mechanical properties of multilayer vacuum arc covered with a bearing TiN/ZrN Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Трибологические характеристики и механические свойства многослойных вакуумно-дуговых покрытий TiN/ZrN |
| spellingShingle |
Трибологические характеристики и механические свойства многослойных вакуумно-дуговых покрытий TiN/ZrN Гранкин, С.С. Столбовой, В.А. Немченко, У.С. Береснев, В.М. Соболь, О.В. Литовченко, С.В. Турбин, П.В. Новиков, В.Ю. Проценко, З.Н. Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| title_short |
Трибологические характеристики и механические свойства многослойных вакуумно-дуговых покрытий TiN/ZrN |
| title_full |
Трибологические характеристики и механические свойства многослойных вакуумно-дуговых покрытий TiN/ZrN |
| title_fullStr |
Трибологические характеристики и механические свойства многослойных вакуумно-дуговых покрытий TiN/ZrN |
| title_full_unstemmed |
Трибологические характеристики и механические свойства многослойных вакуумно-дуговых покрытий TiN/ZrN |
| title_sort |
трибологические характеристики и механические свойства многослойных вакуумно-дуговых покрытий tin/zrn |
| author |
Гранкин, С.С. Столбовой, В.А. Немченко, У.С. Береснев, В.М. Соболь, О.В. Литовченко, С.В. Турбин, П.В. Новиков, В.Ю. Проценко, З.Н. |
| author_facet |
Гранкин, С.С. Столбовой, В.А. Немченко, У.С. Береснев, В.М. Соболь, О.В. Литовченко, С.В. Турбин, П.В. Новиков, В.Ю. Проценко, З.Н. |
| topic |
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| topic_facet |
Физика радиационных и ионно-плазменных технологий |
| publishDate |
2015 |
| language |
Russian |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Трибологічні характеристики і механічні властивості багатошарових вакуумно-дугових покриттів TiN/ZrN Tribological characteristics and mechanical properties of multilayer vacuum arc covered with a bearing TiN/ZrN |
| description |
Методом вакуумно-дугового осаждения синтезированы наноструктурированные многослойные покрытия TiN/ZrN c их числом 134…533 и средней толщиной 20…125 нм. Выявлена хорошая планарность получаемых в нанометровом диапазоне слоев из плазменных потоков в реактивной среде. В качестве модели критических рабочих условий покрытий установлены механизмы фазово-структурных изменений в поверхностных слоях в условиях действия агрессивной кислородной атмосферы при высокой температуре (700 ºC). Показано влияние толщинного параметра многослойной системы на ее твердость. Установлено, что наибольшая твердость (42 ГПа) и наименьший абразивный износ покрытия (1,3∙10⁻⁵ мм³∙Н⁻¹∙мм⁻¹) и контртела (1,9∙10⁻⁶ мм³ ∙Н⁻¹∙мм⁻¹) присущи системе TiN/ZrN с наименьшей толщиной слоев 20 нм в периоде. Полученные результаты объяснены влиянием размерного фактора межфазных границ, многократно усиливающимся в многослойной системе с нанометровой толщиной слоев.
Методом вакуумно-дугового осадження синтезовані наноструктуровані багатошарові покриття TiN/ZrN c числом шарів 134...533 і їх середньою товщиною 20...125 нм. Виявлено хороша планарність, яка одержана у нанометровому діапазоні шарів з плазмових потоків у реактивному середовищі. Як модель критичних робочих умов покриттів встановлені механізми фазово-структурних змін у поверхневих шарах в умовах дії агресивної кисневої атмосфери при високій температурі (700 ºC). Показано вплив товщинного параметра багатошарової системи на її твердість. Встановлено, що найвища твердість (42 ГПа) і найменше абразивне зношування покриття (1,3∙10⁻⁵ мм³∙Н⁻¹∙мм⁻¹) і контртіла (1,9∙10⁻⁶ мм³ ∙Н⁻¹∙мм⁻¹) властиві системі TiN/ZrN з най-меншою товщиною шарів 20 нм у періоді. Отримані результати пояснені впливом розмірного фактора міжфазних границь багаторазово посилюється в багатошаровій системі з нанометровою товщиною шарів.
Nanostructured multilayered coatings TiN/ZrN with 134...533 layers and the average thickness of layers of 20...125 nm have been synthesized by means of vacuum-arc deposition method. Good planarity of the layers obtained in nanometer scale from plasma flows in reaction medium has been revealed. As a model of critical working conditions of the coatings, the mechanisms of structural and phase changes in surface layers at conditions of influence of aggressive oxygen atmosphere at high temperature (700 ºC) have been determined. The influence of thickness parameter of multilayered system on its hardness has been shown. It has been determined, that the highest hardness of 42 GPa and the lowest abrasive wear of the coating 1.3∙10⁻⁵ mm³∙N⁻¹∙mm⁻¹ and the counterbody 1.9∙10⁻⁶ mm³∙N⁻¹∙mm⁻¹ are inherent to the system TiN/ZrN with the minimal thickness of the layers of 20 nm in a period. The obtained results have been explained by the influence of dimensional factor of interphase borders, which is multiply enhanced in multilayered system with the nanometer scale thickness of the coatings.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112290 |
| citation_txt |
Трибологические характеристики и механические свойства многослойных вакуумно-дуговых покрытий TiN/ZrN / С.С. Гранкин, В.А. Столбовой, У.С. Немченко, В.М. Береснев, О.В. Соболь, С.В. Литовченко, П.В. Турбин, В.Ю. Новиков, З.Н. Проценко // Вопросы атомной науки и техники. — 2015. — № 5. — С. 70-76. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT grankinss tribologičeskieharakteristikiimehaničeskiesvoistvamnogosloinyhvakuumnodugovyhpokrytiitinzrn AT stolbovoiva tribologičeskieharakteristikiimehaničeskiesvoistvamnogosloinyhvakuumnodugovyhpokrytiitinzrn AT nemčenkous tribologičeskieharakteristikiimehaničeskiesvoistvamnogosloinyhvakuumnodugovyhpokrytiitinzrn AT beresnevvm tribologičeskieharakteristikiimehaničeskiesvoistvamnogosloinyhvakuumnodugovyhpokrytiitinzrn AT sobolʹov tribologičeskieharakteristikiimehaničeskiesvoistvamnogosloinyhvakuumnodugovyhpokrytiitinzrn AT litovčenkosv tribologičeskieharakteristikiimehaničeskiesvoistvamnogosloinyhvakuumnodugovyhpokrytiitinzrn AT turbinpv tribologičeskieharakteristikiimehaničeskiesvoistvamnogosloinyhvakuumnodugovyhpokrytiitinzrn AT novikovvû tribologičeskieharakteristikiimehaničeskiesvoistvamnogosloinyhvakuumnodugovyhpokrytiitinzrn AT procenkozn tribologičeskieharakteristikiimehaničeskiesvoistvamnogosloinyhvakuumnodugovyhpokrytiitinzrn AT grankinss tribologíčníharakteristikiímehaníčnívlastivostíbagatošarovihvakuumnodugovihpokrittívtinzrn AT stolbovoiva tribologíčníharakteristikiímehaníčnívlastivostíbagatošarovihvakuumnodugovihpokrittívtinzrn AT nemčenkous tribologíčníharakteristikiímehaníčnívlastivostíbagatošarovihvakuumnodugovihpokrittívtinzrn AT beresnevvm tribologíčníharakteristikiímehaníčnívlastivostíbagatošarovihvakuumnodugovihpokrittívtinzrn AT sobolʹov tribologíčníharakteristikiímehaníčnívlastivostíbagatošarovihvakuumnodugovihpokrittívtinzrn AT litovčenkosv tribologíčníharakteristikiímehaníčnívlastivostíbagatošarovihvakuumnodugovihpokrittívtinzrn AT turbinpv tribologíčníharakteristikiímehaníčnívlastivostíbagatošarovihvakuumnodugovihpokrittívtinzrn AT novikovvû tribologíčníharakteristikiímehaníčnívlastivostíbagatošarovihvakuumnodugovihpokrittívtinzrn AT procenkozn tribologíčníharakteristikiímehaníčnívlastivostíbagatošarovihvakuumnodugovihpokrittívtinzrn AT grankinss tribologicalcharacteristicsandmechanicalpropertiesofmultilayervacuumarccoveredwithabearingtinzrn AT stolbovoiva tribologicalcharacteristicsandmechanicalpropertiesofmultilayervacuumarccoveredwithabearingtinzrn AT nemčenkous tribologicalcharacteristicsandmechanicalpropertiesofmultilayervacuumarccoveredwithabearingtinzrn AT beresnevvm tribologicalcharacteristicsandmechanicalpropertiesofmultilayervacuumarccoveredwithabearingtinzrn AT sobolʹov tribologicalcharacteristicsandmechanicalpropertiesofmultilayervacuumarccoveredwithabearingtinzrn AT litovčenkosv tribologicalcharacteristicsandmechanicalpropertiesofmultilayervacuumarccoveredwithabearingtinzrn AT turbinpv tribologicalcharacteristicsandmechanicalpropertiesofmultilayervacuumarccoveredwithabearingtinzrn AT novikovvû tribologicalcharacteristicsandmechanicalpropertiesofmultilayervacuumarccoveredwithabearingtinzrn AT procenkozn tribologicalcharacteristicsandmechanicalpropertiesofmultilayervacuumarccoveredwithabearingtinzrn |
| first_indexed |
2025-11-26T09:51:27Z |
| last_indexed |
2025-11-26T09:51:27Z |
| _version_ |
1850618159193653248 |
| fulltext |
70 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №5(99)
Раздел третий
ФИЗИКА РАДИАЦИОННЫХ
И ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
УДК 669.295.539.121
ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И МЕХАНИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ
ПОКРЫТИЙ TiN/ZrN
С.С. Гранкин
1
, В.А. Столбовой
2
, У.С. Немченко
1
, В.М. Береснев
1
, О.В. Соболь
3
,
С.В. Литовченко
1
, П.В. Турбин
1,4
, В.Ю. Новиков
5
, З.Н. Проценко
6
1
ХНУ им. В.Н. Каразина, Харьков, Украина;
2
ННЦ «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина;
3
НТУ «Харьковский политехнический институт», Харьков, Украина;
4
Научный физико-технологический центр МОН и НАН Украины, Харьков, Украина;
5
Белгородский государственный национальный исследовательский университет,
Белгород, Российская Федерация;
6
Сумской государственный педагогический университет им. А.С. Макаренко,
Сумы, Украина
Методом вакуумно-дугового осаждения синтезированы наноструктурированные многослойные покры-
тия TiN/ZrN c их числом 134…533 и средней толщиной 20…125 нм. Выявлена хорошая планарность полу-
чаемых в нанометровом диапазоне слоев из плазменных потоков в реактивной среде. В качестве модели
критических рабочих условий покрытий установлены механизмы фазово-структурных изменений в поверх-
ностных слоях в условиях действия агрессивной кислородной атмосферы при высокой температуре (700 ºC).
Показано влияние толщинного параметра многослойной системы на ее твердость. Установлено, что
наибольшая твердость (42 ГПа) и наименьший абразивный износ покрытия (1,3∙10
–5
мм
3
∙Н
–1
∙мм
–1
) и контр-
тела (1,9∙10
–6
мм
3
∙Н
–1
∙мм
–1
) присущи системе TiN/ZrN с наименьшей толщиной слоев 20 нм в периоде. По-
лученные результаты объяснены влиянием размерного фактора межфазных границ, многократно усилива-
ющимся в многослойной системе с нанометровой толщиной слоев.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из путей повышения функциональных
свойств покрытий на основе нитридов тугоплавких
соединений является создание многослойных си-
стем, в которых путем сочетания слоев из разных
нитридов можно достичь свойств, превосходящих
свойства каждого из элементов в отдельности.
Наиболее востребованным применением указанных
материалов являются созданные на их основе по-
верхностные износостойкие покрытия на рабочих
поверхностях режущего инструмента и узлах трения
деталей машин [1].
Анализ литературных данных свидетельствует о
перспективности применения многослойных покры-
тий, в которых слои, состоящие из нитридов туго-
плавких материалов, имеют толщину порядка
20...30 нм, для совершенствования механических
свойств [2, 3]. Покрытия, состоящие из двух перио-
дически повторяющихся слоев нитридов твердых
тугоплавких металлов, обладают высокой твердо-
стью, так как создаваемые в слоях напряжения пре-
пятствуют движению дислокаций.
В этой связи объединение имеющих высокую
твердость слоев TiN и ZrN в одном многослойном
покрытии позволяет при сохранении высокой твер-
дости такого комплексного покрытия в результате
образования большого числа сильносвязанных
межфазных границ значительно повысить прочность
сформированного вакуумно-дуговым методом мате-
риала.
МАТЕРИАЛЫ, ИХ ОБРАБОТКА
И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Покрытия получались вакуумно-дуговым мето-
дом из двух испарителей. Один содержит титан
марки ВТ-1-00, второй – цирконий, полученный
методом электронно-лучевого плавления (ЭЛП). В
качестве подложек для напыления покрытий ис-
пользовались образцы размером 15152,5 мм из ста-
ли 12Х18Н9Т (Ra = 0,09 мкм). Образцы получены при
PN = 3∙10
-3
Торр и постоянном потенциале смещения
Uсм = -150 В.
В процессе эксперимента формировались три се-
рии образцов покрытия, отличающихся толщиной
слоев в периоде.
В первой серии образцов пара слоев покрытия
TiN/ZrN имела толщину λ ≈ 40 нм при общей тол-
щине покрытия, составляющей h ≈ 13 мкм. Вторая
серия – покрытия TiN/ZrN с λ ≈ 70 нм при общей
толщине, составляющей h ≈ 14 мкм. Третья серия
образцов покрытия TiN/ZrN формировалась с
λ ≈ 250 нм при общей толщине покрытия, составля-
ющей h ≈ 14 мкм.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №5(99) 71
Число слоев для разных серий составляло для:
образцов первой серии – 533, второй –233, а третьей
– 134.
Отжиг образцов проводился в вакуумной камере,
предварительно откачанной до давления 10
-5
Торр в
среде кислорода, напущенного до 5∙10
-3
Торр.
Морфология поверхности, фрактограммы изло-
ма, дорожки трения исследовались на растровом
электронном микроскопе FEI Nova NanoSEM 450.
Исследование фазово-структурного состояния про-
водилось на дифрактометре ДРОН-3М в излучении
Cu-Kα.
Трибологические испытания проводились на
воздухе по схеме «шарик–диск». В качестве маши-
ны трения использовался «Tribometer», CSM
Instruments. Для этого покрытия осаждались на по-
верхность полированных цилиндрических образцов
(Ra = 0,088 мкм), изготовленных из стали 45 (диа-
метром 42 и высотой 5 мм). В качестве контртела
использовался шарик диаметром 6,0 мм, изготов-
ленный из спеченного сертифицированного матери-
ала Al2O3. Нагрузка составляла 6,0 Н, скорость
скольжения – 10 см/с. Испытания соответствуют
международным стандартам ASTM G99-959,
DIN50324 и ISO 20808.
Твердость покрытий измерялась с помощью
твердомера модели ДМ 8 по методу микро-Виккерса
при нагрузке на индентор 0,2 Н.
ЭКСПЕРИМЕНТ И РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 1 показан характерный фрагмент рентге-
нограммы образца многослойного покрытия. Видно,
что после осаждения в поверхностных слоях (глу-
бина информативного слоя около 4 мкм) формиру-
ются слои, содержащие фазы TiN и ZrN с кубиче-
ской (структурный тип NaCl) кристаллической ре-
шеткой без явно выраженной преимущественной
ориентации (текстуры) кристаллитов. С увеличени-
ем периода λ удельный вклад слоев TiN несколько
повышается, что проявляется в изменении соотно-
шения интенсивности пиков от TiN- и ZrN-фаз (см.
рис. 1,а,б). С увеличением длительности осаждения
и соответственно толщины слоев и общего периода
многослойной системы λ происходит изменение
периода решетки нитридных фаз в слоях: период
решетки уменьшается с увеличением толщины в
TiN от 0,4241502 нм при времени осаждения 20 с
(λ ≈ 70 нм) до 0,4238870 нм при времени осаждения
40 с (λ ≈ 250 нм). В ZrN уменьшение не столь значи-
тельно от 0,4581055 нм при 20 с до 0,4581046 нм
при 40 с.
Отжиг в атмосфере кислорода приводит к окис-
лению поверхностных слоев и формированию в ка-
честве основных фаз в слоях диоксидов – TiO2 с
тетрагональной сингонией типа рутил (базовая, с
содержанием до 95 об.%, в слоях на основе Ti) и
анатаз (с содержанием 5% и менее). На дифракци-
онном спектре (рис. 2,а) анатаз (DB card number
5000223) выявляется по наиболее сильной первой
линии на угле 2θ ≈ 25,36 град. Для рутила (DB card
number 9007531) проявляется весь дифракционный
спектр (см. рис. 2,а). В слоях нитрида циркония при
окислении происходит формирование только одного
типа диоксида ZrO2 (аркелит, имеющий кубическую
сингонию, DB card number 5000038).
Для изучения влияния окисления на внутренние
слои покрытия проводилась сошлифовка с поверх-
ности окисленных слоев на глубину покрытия около
5 мкм. Как показал рентгеноструктурный анализ,
после сошлифовки во внутренних слоях покрытия
оксидов не наблюдается (см. рис. 2,б), а формируе-
мые при осаждении нитриды имеют преимуще-
ственную ориентацию кристаллитов с осью [111],
перпендикулярной плоскости роста. Из этого следу-
ет, что на начальной стадии роста формируется пре-
имущественная ориентация как TiN-, так и ZrN-
кристаллитов с осью [111], которая в процессе уве-
личения суммарной толщины покрытия и релакса-
ции при этом сжимающих напряжений роста теряет
свою приоритетность, и, тем самым, кристалличе-
ское состояние становится неориентированным.
а
б
Рис. 1. Участки рентгенодифракционных спектров
покрытий: с λ ≈ 70 нм, вторая серия (а)
и λ ≈ 250 нм, третья серия (б)
В этой связи по результатам рентгено-
структурного анализа (см. рис. 2) можно предполо-
жить, что, вследствие разориентировки кристалли-
тов в поверхностных слоях и низких напряжений
сжатия, кислород из атмосферы при отжиге по меж-
кристаллитным путям за счет диффузии проникает в
приповерхностные слои покрытия, стимулируя
окисление, вплоть до образования стабильных диок-
сидных фаз металла. В более глубоких слоях (отра-
жающих начальные стадии роста), в которых под
действием напряжений сжатия развивается текстура
роста [111] [6, 7], диффузия в глубь покрытия
усложняется из-за высокой плотности упаковки
плоскости (111) и кислород в достаточном количе-
стве для образования оксидных фаз вглубь не про-
никает.
72 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №5(99)
а б
Рис. 2. Участки рентгенодифракционных спектров покрытий TiN/ZrN с λ ≈ 70 нм,
полученные после часового отжига при температуре 700 С:
а – с поверхности без сошлифовки, б – после сошлифовки с окисленной поверхности на глубину 5 мкм
С помощью растрового электронного микроско-
па проводился детальный анализ изменений в по-
верхностных слоях при их окислении. На рис. 3
изображены боковые поверхности образцов для трех
серий при разном увеличении.
Видно, даже для наибольшего числа более тон-
ких слоев первой серии наблюдается хорошая пла-
нарность осаждения (см. рис. 3 (1)). Также харак-
терным является высокая сплошность покрытия и
отсутствие в нем неоднородности в виде капельной
фазы, заметной при осаждении на поверхности.
Приведенный на рис. 4,а энергодисперсионный
спектр, является характерным для всех трех серий
покрытий и характеризует стехиометрию состава
покрытия TiN/ZrN.
После отжига в поверхностных слоях происхо-
дит изменение элементного состава покрытия с со-
держанием кислородных атомов из рабочей атмо-
сферы, при отжиге, достигающем 35 ат.% (см. рис.
4,б).
Рис. 3. Электронно-микроскопические снимки боковой поверхности многослойных покрытий TiN/ZrN:
для первой серии с числом слоев 533 (1) и второй серии с числом слоев 233 (2):
а – общий вид скола образца; б – увеличенный фрагмент боковой поверхности многослойного покрытия
(1) а (1) б
(2) а
(2) б
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №5(99) 73
(3) а
(3) б
Рис. 3. Электронно-микроскопические снимки боковой поверхности многослойных покрытий TiN/ZrN:
для третьей серии с числом слоев 134 (3): а – общий вид скола образца;
б – увеличенный фрагмент боковой поверхности многослойного покрытия
Внедрение атомов кислорода в нитридные слои и
образование в поверхности покрытия диоксидов
титана и циркония в значительной степени изменя-
ют структуру самих слоев из-за значительного уве-
личения их объема при замещении азотных атомов
атомами кислорода и образовании диоксидных фаз.
а
б
Рис. 4. Участки энергодисперсионных спектров
и определенный по ним элементный состав много-
слойного покрытия системы TiN/ZrN до (а)
и после (б) отжига в атмосфере кислорода
при 700 ºС
Сопоставление электронно-микроскопических
снимков структурного состояния слоев в много-
слойной системе TiN/ZrN с суммарным числом сло-
ев 134 (рис. 5) показывает, что в процессе окисления
увеличение удельного объема приводит к изгибу
слоев, расслоению с отрывом и потерей сплошности
(см. рис. 5(2),а) и что на поверхности образуются
куполоподобные несплошности в местах частичного
отделения слоев (см. рис. 5(2),б). При этом сопо-
ставление структур 1 и 2 на рис. 5 показывает, что
основные объемные изменения происходят в слоях
на основе титана, толщина которых увеличивается в
среднем от 80 до 110 нм, т. е. на 37,5%. В слоях на
основе циркония толщина при окислении увеличи-
вается со среднего значения около 120 до отжига до
135 нм после отжига (см. рис. 5(1),а и (2),а), т. е. на
12,5 %. При этом в слоях на основе циркония явно
выявляется столбчатый характер зеренной структу-
ры, в результате они становятся достаточно хрупки-
ми. В слоях на основе титана сохраняется высокая
плотность, следовательно, можно предположить,
что в такой структуре вследствие окисления слои в
композиции подвергаются сжатию и уплотнению,
несмотря на большое относительное увеличение
толщины. Также в слоях на основе титана должна
создаваться компенсирующая деформация растяже-
ния в плоскости роста слоев, что и определяет их
склонность к хрупкому разрушению. При этом вид-
но, что основным местом отрыва является межфаз-
ная граница, определяющая уменьшение адгезион-
ной связи при формировании вследствие окисления
в слоях на основе титана и циркония фаз с разным
типом кристаллических решеток (кубической – в
слоях на основе Zr и тетрагональной – в слоях на
основе Ti).
Таким образом, в отличие от однослойного или
покрытия с малым числом слоев, в многослойном
покрытии с числом слоев, превышающим 100, в
случае жестких эксплуатационных условий воздей-
ствие активной кислородной среды при высокой
температуре приводит к фазовым изменениям толь-
ко в поверхностном слое, предотвращая от измене-
ния основное структурное состояние внутренних
несущих слоев.
74 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №5(99)
(1) а
(1) б
(2) а (2) б
Рис. 5. Изображения бокового среза и поверхности покрытия третьей серии до (1)
и после отжига при 700 ºC (2): а – поперечный шлиф; б – поверхность
Как известно, универсальной характеристикой,
позволяющей достаточно экспрессно оценить меха-
нические свойства покрытия, является твердость [8].
Определенная методом микроиндентирования
твердость покрытий составила: для первой серии
Н ≈ 42 ГПа, второй серии Н ≈ 38 ГПа и третьей се-
рии Н ≈ 36 ГПа. Таким образом, для всех толщин
слоев системы TiN/ZrN характерно высокотвердое
состояние, что делает такие покрытия перспектив-
ными для применения в качестве защитных износо-
стойких. В этой связи является необходимым прове-
дение трибологических испытаний для определения
основных механических характеристик при кон-
тактном взаимодействии изучаемых покрытий с
контртелом.
Результаты трибологических испытаний при
комнатной температуре многослойных покрытий на
основе системы TiN/ZrN с различным λ приведены в
таблице.
Трибологические характеристики многослойных покрытий TiN/ZrN
Номер серии
Коэффициент трения Фактор износа, мм
3
×Н
–1
×мм
–1
Начальный этап При испытаниях Контртело (×10
–6
) Образцы с покрытием (×10
–5
)
1 0,59 1,0 1,9 1,3
2 0,62 1,2 2,0 1,5
3 0,62 1,1 2,2 1,4
Полученные многослойные покрытия характери-
зуются высоким коэффициентом трения в паре с
контртелом из Al2O3.
На рис. 6 изображены дорожки трения, получен-
ные при испытании образцов первой, второй и тре-
тьей серий многослойных покрытий системы
TiN/ZrN.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №5(99) 75
а
б
в
Рис. 6. Дорожки трения при испытании многослой-
ного покрытия TiN/ZrN образцов:
а – первой серии; б – второй серии
и в – третьей серии
Визуально определяется, что дорожки трения ха-
рактеризуются отсутствием заусениц, сколов и ра-
диальных трещин, что указывает на высокое каче-
ство покрытия и адгезионную прочность.
Все покрытия обладают хорошей износостойко-
стью ((1,3...1,5)∙10
–5
мм
3
∙Н
–1
∙мм
–1
). Износ контртела
невысокий и варьирует в интервале
(1,9...2,2)∙10
–6
мм
3
∙Н
–1
∙мм
–1
. В процессе испытаний
не наблюдалось скалывания, растрескивания и от-
слоения покрытий. Покрытия характеризуются хо-
рошей адгезией с подложкой. В ходе абразивного
износа материал покрытий пластически деформиру-
ется; наблюдаемая картина износа характерна для
мягких металлов [9].
Ниже (рис. 7) приведены значения коэффици-
ентов трения, полученные при испытании трех се-
рий многокомпонентных покрытий системы
TiN/ZrN.
Наивысшее значение коэффициента трения
наблюдается у покрытий второй серии (см. рис. 7,
кривая 2). На участке до 300 м значения коэффици-
ентов трения у покрытий первой и третьей серий
существенно разнятся.
Рис. 7. Коэффициенты трения μ многокомпонент-
ного покрытия TiN/ZrN
в зависимости от длины прохода образцов:
1 – первой серии; 2 –второй серии
и 3 –третьей серии
Для покрытий третьей серии μ резко возрастает
до значения 1,2 и практически находится на этом
уровне на всей длине участка испытания. Значения
μ для первой серии образцов покрытия монотонно
возрастают до отметки 300 м и принимают значе-
ния, аналогичные третьей серии. Значения μ для
образцов второй серии резко выходят на значение
1,2, а затем медленно и монотонно растут до значе-
ния 1,3.
Значения μ существенно зависят от толщины
бислоя и общей толщины покрытий. Наиболее низ-
кое значение μ наблюдается для покрытий первой
серии с толщиной слоя около 20 нм и λ ≈ 40 нм, а
наибольшее в образцах второй серии с λ ≈ 70 нм.
ВЫВОДЫ
1. Использование вакуумно-дугового метода
позволяет получить двухфазную многослойную си-
стему TiN/ZrN с нанометровым диапазоном толщин
хорошей планарности.
2. С увеличением толщины композиции
TiN/ZrN, осаждаемой при действии Us = -150 В,
происходит переход от преимущественной ориента-
ции с осью [111] к нетекстурированному состоянию.
3. Наличие в начальных слоях роста покрытия
текстуры [111] препятствует прокислению при вы-
сокотемпературном (700 °С) отжиге в атмосфере
кислорода.
4. Полученные покрытия во всем диапазоне
толщин слоев 20...125 нм отвечают высокотвердому
состоянию с твердостью в диапазоне 38...42 ГПа.
5. Наибольшая твердость (42 ГПа) и наимень-
ший абразивный износ покрытия (1,3∙10
–5
мм
3
∙Н
–1
∙мм
–1
)
и контртела (1,9∙10
–6
мм
3
∙Н
–1
∙мм
–1
) присущи системе
TiN/ZrN с наименьшей толщиной слоев (20 нм) в
периоде, что является следствием наибольшего вли-
яния для такой системы размерного фактора меж-
фазных границ.
Работа выполнена при частичной финансовой
поддержке Министерства образования и науки
Украины по темам научно-исследовательских работ
76 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2015. №5(99)
0113U001079, 0115U000508, 0115U000477 и
0115U003166. Часть исследований выполненa на
научном оборудовании Центра коллективного поль-
зования «Диагностика структуры и свойств нанома-
териалов» Белгородского государственного нацио-
нального исследовательского университета, при
финансовой поддержке Министерства образования
и науки РФ в рамках проекта №14.594.21.0010, уни-
кальный код RFMEFI59414X0010.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Nanostructured coatings / Edited by: Cavaleiro,
Albano; De Hosson, Jeff Th. M. Springer-Verlag, 2006,
648 p.
2. В.М. Анищик, В.В. Углов, С.В. Злоцкий,
В.А. Емельянов, В.Н. Пономарь, В.А. Ухов. Много-
слойные наноструктурированные покрытия
TiN/ZrN: структура и механические свойства // Пер-
спективные материалы. 2003, №4, с. 75-78.
3. Siao-Fan Chen, Yu-Chu Kuo, Chaur-Jeng Wang,
Sung-Hsiu Huang, Jyh-Wei Lee, Yu-Chen Chan, Hsien-
Wei Chen, Jenq-Gong Duh, Tsung-Eong Hsieh. The
effect of Cr/Zr chemical composition ratios on the
mechanical properties of CrN/ZrN multilayered
coatings deposited by cathodic arc deposition system //
Surface & Coatings Technology. 2013, N 231, p. 247-
252.
4. А.С. Куприн, В.А. Белоус, В.Н. Воеводин,
В.В. Брык, Р.Л. Василенко, В.Д. Овчаренко,
Г.Н. Толмачева, П.Н. Bьюгов. Высокотемпературное
окисление на воздухе оболочек из циркониевых
сплавов Э110 и Zr-1Nb с покрытиями // BАНТ. 2014,
№1(89), с. 126-131.
5. И.И. Аксенов, А.А. Андреев, В.А. Белоус,
В.Е. Стрельницкий, В.М. Хороших. Вакуумная дуга.
Источники плазмы, осаждение покрытий, поверх-
ностное модифицирование: Монография. Киев:
«Наукова думка», 2012, 726 с.
6. O.V. Sobol’, A.A. Andreev, S.N. Grigoriev,
V.F. Gorban’, M.A. Volosova, S.V. Aleshin,
V.A. Stolbovoi. Effect of high-voltage pulses on the
structure and properties of titanium nitride vacuum-arc
coatings // Metal Science and Heat Treatment. 2012,
v. 54, N 3-4, p. 195-203.
7. О.В. Соболь, А.А. Андреев, В.Ф. Горбань,
В.А. Столбовой, Н.В. Пинчук, А.А. Мейлехов. Вли-
яние толщины бислоев TiN/ZrN на структуру и
свойства многослойных покрытий, полученных ва-
куумно-дуговым испарением // Вопросы атомной
науки и техники. 2015, №2(96), с. 124-129.
8. А.С. Верещака Работоспособность режуще-
го инструмента с износостойкими покрытиями.
М.: «Машиностроение», 1993, 336 с.
9. Л.Ш. Шустер, Н.К. Криони, В.Ю. Шолом,
М.Ш. Мигранов. Покрытия и смазка в высокотем-
пературных подвижных сопряжениях и металлооб-
работке. М.: «Машиностроение», 2008, 318 c.
Статья поступила в редакцию 06.08.2015 г.
ТРИБОЛОГІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ І МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ БАГАТОШАРОВИХ
ВАКУУМНО-ДУГОВИХ ПОКРИТТІВ TiN/ZrN
С.С. Гранкін, В.О. Столбовой, У.С. Нємченко, В.М. Береснєв, О.В. Соболь,
С.В. Литовченко, П.В. Турбін, В.Ю. Новіков, З.М. Проценко
Методом вакуумно-дугового осадження синтезовані наноструктуровані багатошарові покриття TiN/ZrN c
числом шарів 134...533 і їх середньою товщиною 20...125 нм. Виявлено хороша планарність, яка одержана у
нанометровому діапазоні шарів з плазмових потоків у реактивному середовищі. Як модель критичних робо-
чих умов покриттів встановлені механізми фазово-структурних змін у поверхневих шарах в умовах дії агре-
сивної кисневої атмосфери при високій температурі (700 ºC). Показано вплив товщинного параметра бага-
тошарової системи на її твердість. Встановлено, що найвища твердість (42 ГПа) і найменше абразивне зно-
шування покриття (1,3∙10
–5
мм
3
∙Н
–1
∙мм
–1
) і контртіла (1,9∙10
–6
мм
3
∙Н
–1
∙мм
–1
) властиві системі TiN/ZrN з най-
меншою товщиною шарів 20 нм у періоді. Отримані результати пояснені впливом розмірного фактора
міжфазних границь багаторазово посилюється в багатошаровій системі з нанометровою товщиною шарів.
TRIBOLOGICAL CHARACTERISTICS AND MECHANICAL PROPERTIES OF MULTILAYER
VACUUM ARC COVERED WITH A BEARING TiN/ZrN
S.S. Grankin, V.O. Stolbovoi, U.S. Nyemchenko, V.M. Beresnev, O.V. Sobol’,
S.V. Lytovchenko, P.V. Turbin, V.Yu. Novikov, Z.M. Protsenko
Nanostructured multilayered coatings TiN/ZrN with 134...533 layers and the average thickness of layers of
20...125 nm have been synthesized by means of vacuum-arc deposition method. Good planarity of the layers
obtained in nanometer scale from plasma flows in reaction medium has been revealed. As a model of critical
working conditions of the coatings, the mechanisms of structural and phase changes in surface layers at conditions
of influence of aggressive oxygen atmosphere at high temperature (700 ºC) have been determined. The influence of
thickness parameter of multilayered system on its hardness has been shown. It has been determined, that the highest
hardness of 42 GPa and the lowest abrasive wear of the coating 1.3∙10
–5
mm
3
∙N
–1
∙mm
–1
and the counterbody
1.9∙10
–6
mm
3
∙N
–1
∙mm
–1
are inherent to the system TiN/ZrN with the minimal thickness of the layers of 20 nm in a
period. The obtained results have been explained by the influence of dimensional factor of interphase borders, which
is multiply enhanced in multilayered system with the nanometer scale thickness of the coatings.
|