Об эффекте прироста твердости в покрытиях нитрида молибдена

Основываясь на оригинальных экспериментальных результатах авторов и литературных данных, проанализированы причины эффекта прироста твердости в керамических покрытиях из нитрида молибдена, полу- чаемых конденсацией из вакуумно-дугового разряда. Интерпретация эффекта прироста твердости связана с форми...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2006
Main Authors:	Шулаев, В.М., Андреев, А.А., Картмазов, Г.Н.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2006
Series:	Вопросы атомной науки и техники
Subjects:	Краткие сообщения
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81442
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:	Об эффекте прироста твердости в покрытиях нитрида молибдена / В.М. Шулаев, А.А. Андреев, Г.Н. Картмазов // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 1. — С. 195-198. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-81442
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-814422025-02-10T01:14:25Z Об эффекте прироста твердости в покрытиях нитрида молибдена Про ефект приросту твердості в покриттях нітриду молібдену Concerning effect of hardness increase in molybdenum nitride coatings Шулаев, В.М. Андреев, А.А. Картмазов, Г.Н. Краткие сообщения Основываясь на оригинальных экспериментальных результатах авторов и литературных данных, проанализированы причины эффекта прироста твердости в керамических покрытиях из нитрида молибдена, полу- чаемых конденсацией из вакуумно-дугового разряда. Интерпретация эффекта прироста твердости связана с формированием нанополикристаллической структуры в покрытиях нитрида молибдена. Ґрунтуючись на оригінальних експериментальних результатах авторів і літературних даних, проаналізовані причини ефекту приросту твердості в керамічних покриттях з нітриду молібдену, одержуваних конденсацією з вакуумно-дугового розряду. Інтерпретація ефекту приросту твердості пов'язана з формуванням нанополікристалічної структури в покриттях нітриду молібдену. Basing on original experimental results and literature data the reasons of hardness increase in molybden nitride ceramic coatings, obtained by condensation of vacuum-arc discharge plasma, are analysed. Effect of hardness increase is interpreted in terms of nanocrystallite structure formation within molybdenum nitride coatings. 2006 Article Об эффекте прироста твердости в покрытиях нитрида молибдена / В.М. Шулаев, А.А. Андреев, Г.Н. Картмазов // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 1. — С. 195-198. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 1562-6016 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81442 621.039.73: 621.979.62 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	Краткие сообщения Краткие сообщения
spellingShingle	Краткие сообщения Краткие сообщения Шулаев, В.М. Андреев, А.А. Картмазов, Г.Н. Об эффекте прироста твердости в покрытиях нитрида молибдена Вопросы атомной науки и техники
description	Основываясь на оригинальных экспериментальных результатах авторов и литературных данных, проанализированы причины эффекта прироста твердости в керамических покрытиях из нитрида молибдена, полу- чаемых конденсацией из вакуумно-дугового разряда. Интерпретация эффекта прироста твердости связана с формированием нанополикристаллической структуры в покрытиях нитрида молибдена.
format	Article
author	Шулаев, В.М. Андреев, А.А. Картмазов, Г.Н.
author_facet	Шулаев, В.М. Андреев, А.А. Картмазов, Г.Н.
author_sort	Шулаев, В.М.
title	Об эффекте прироста твердости в покрытиях нитрида молибдена
title_short	Об эффекте прироста твердости в покрытиях нитрида молибдена
title_full	Об эффекте прироста твердости в покрытиях нитрида молибдена
title_fullStr	Об эффекте прироста твердости в покрытиях нитрида молибдена
title_full_unstemmed	Об эффекте прироста твердости в покрытиях нитрида молибдена
title_sort	об эффекте прироста твердости в покрытиях нитрида молибдена
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2006
topic_facet	Краткие сообщения
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/81442
citation_txt	Об эффекте прироста твердости в покрытиях нитрида молибдена / В.М. Шулаев, А.А. Андреев, Г.Н. Картмазов // Вопросы атомной науки и техники. — 2006. — № 1. — С. 195-198. — Бібліогр.: 20 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT šulaevvm obéffekteprirostatverdostivpokrytiâhnitridamolibdena AT andreevaa obéffekteprirostatverdostivpokrytiâhnitridamolibdena AT kartmazovgn obéffekteprirostatverdostivpokrytiâhnitridamolibdena AT šulaevvm proefektprirostutverdostívpokrittâhnítridumolíbdenu AT andreevaa proefektprirostutverdostívpokrittâhnítridumolíbdenu AT kartmazovgn proefektprirostutverdostívpokrittâhnítridumolíbdenu AT šulaevvm concerningeffectofhardnessincreaseinmolybdenumnitridecoatings AT andreevaa concerningeffectofhardnessincreaseinmolybdenumnitridecoatings AT kartmazovgn concerningeffectofhardnessincreaseinmolybdenumnitridecoatings
first_indexed	2025-12-02T10:45:04Z
last_indexed	2025-12-02T10:45:04Z
_version_	1850393026430500864
fulltext	РАЗДЕЛ ПЯТЫЙ КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ УДК 621.039.73: 621.979.62 ОБ ЭФФЕКТЕ ПРИРОСТА ТВЕРДОСТИ В ПОКРЫТИЯХ НИТРИДА МОЛИБДЕНА В.М. Шулаев, А.А. Андреев, Г.Н. Картмазов Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», г. Харьков, Украина Основываясь на оригинальных экспериментальных результатах авторов и литературных данных, проана- лизированы причины эффекта прироста твердости в керамических покрытиях из нитрида молибдена, полу- чаемых конденсацией из вакуумно-дугового разряда. Интерпретация эффекта прироста твердости связана с формированием нанополикристаллической структуры в покрытиях нитрида молибдена. ВВЕДЕНИЕ В работе [1] был обнаружен эффект прироста ми- кротвердости ( )µH∆ в двухкомпонентном керами- ческом покрытии нитрида молибдена в сравнении с его микротвердостью в массивном состоянии. В покрытии микротвердость фазы γ-Mo2N дости- гала 36 ГПа, в то время как в массивном состоянии она не превышала 6,3 ГПа [2]. В момент открытия в начале 70-х годов прошлого века этот эффект выгля- дел непонятной аномалией поведения твердости. Микротвердость нитридных керамик в массивном состоянии к тому времени была уже достаточно по- дробно исследована [3]. Их высокая твердость объ- яснялась, исходя из особенностей их электронного строения, которое обеспечивало сильное между- атомное сцепление. Гигантский скачок микро- твердости, обнаруженный в покрытиях, входил в противоречие с формировавшимися тогда представ- лениями о природе высокой твердости тугоплавких соединений в массивном состоянии [4]. Однако, как ни странно это сейчас выглядит, ряд исследова- телей, занимавшихся в то время синтезом керамиче- ских покрытий, пытались трактовать новый ре- зультат в рамках представлений, относившихся к природе массивных материалов [5]. Этот подход стал для ряда исследователей традиционным и пере- кочевал в наше время [6,7]. Основу этого теоретиче- ского воззрения составляет конфигурационная мо- дель вещества [4,8]. В рамках этой модели высокая твердость массивных керамических материалов объ- яснялась увеличением статистического веса (доли) стабильных локальных электронных конфигураций (локализованных электронов), осуществляющих об- менное взаимодействие между атомами тугоплавко- го соединения. Предполагалось, чем больше стати- ческий вес таких стабильных локальных электрон- ных конфигураций, тем выше твердость материала. Справедливости ради следует отметить, что другие подходы и концепции, связанные с электронным строением этого класса материалов в массивном со- стоянии, сводились к схожим трактовкам [9]. Одна- ко альтернативные модели электронного строения нитридов в массивном состоянии для объяснения эффекта прироста твердости керамических покры- тий не учитывались. Отметим также то, что всем этим моделям был присущ один общий недостаток: ими не принималось во внимание реальное строение керамических нитридных покрытий, получаемых конденсацией из вакуумно-дугового разряда [10]. Цель данной работы – обсуждение эффекта при- роста твердости двухкомпонентных покрытий на основе нитрида молибдена. Предмет обсуждения – оригинальные экспериментальные данные авторов и литературные сведения, отражающие современный уровень представлений о природе высокой твердо- сти керамических покрытий, обобщенный в работе [11]. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА Вакуумные конденсаты нитридов молибдена оса- ждали на вакуумно-дуговой установке «Булат-3Т» [12]. Плазменный поток создавался вакуумно-дуго- вым разрядом при токе дуги Iд = 180 А. В качестве катодного материала источника плазмы использо- вался молибден марки МЧВП. Технологический процесс нанесения нитридного покрытия включал две основные операции: очистку поверхности подложки и конденсацию. Очистка достигалась бом- бардировкой поверхности подложки в течение 1…2 мин ионами молибдена, ускоренными отрицатель- ным потенциалом Uп = 1,1 кВ, подаваемым на подложку, при давлении остаточных газов 310 −≈P Па. Конденсация покрытия проводилась непосредственно после очистки поверхности в ин- тервале значений отрицательного потенциала на подложке от Uп = 20…25 В. При этом устанавлива- лось необходимое по условиям эксперимента давле- ние азота в реакционной камере, которое варьирова- лось в диапазоне от 10-3 до 1 Па. Скорость конденса- ции покрытий 20 мкм/ч. Температура подложки со- ставляла 400…500°С. В качестве подложек исполь- зовали полированные образцы нержавеющей стали ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.195 -198. 195 марки 12Х18Н10Т. Температуру образцов в процес- се конденсации контролировали хромель-алюмеле- вой термопарой или с помощью пирометра. Расстоя- ние от испарителя до подложки составляло 270 мм. Толщина покрытия не менее 10 мкм. Микро- твердость определяли при нагрузке 1 Н. Структура и фазовый состав нитридных покрытий исследовались ренгенографически. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ В процессе синтеза покрытий при конденсации потока газометаллической плазмы вакуумно-дугово- го разряда при температуре подложки 400…500°С в зависимости от давления азота в реакционной каме- ре происходило образование и стабилизация фаз, не наблюдаемых в массивных образцах в соответствии с диаграммой состояния NMo − (рис.1) [13] в иссле- дованном температурном интервале. Рис. 1 Диаграмма состояния Мо – N [13] При малых давлениях азота (при слабом легиро- вании) вначале синтезировались неравновесные ме- таллические конденсаты α′-Мо. С повышением дав- ления азота образуется смесь фаз α′-Мо–γ-Mo2N. С дальнейшим ростом давления азота доля фазы γ- Mo2N непрерывно увеличивается и при давлении выше 0,4 Па образуется монофазный нитрид молиб- дена γ-Mo2N. Следует отметить, что при вакуумно- дуговом осаждении покрытий существенно расши- ряется область существования высокотемператур- ной модификации γ-Mo2N и подавляется синтез низ- котемпературной модификации β-Mo2N. В исследуемом диапазоне температур подложек полученные конденсаты имели поликристалличе- скую структуру. Степень дисперсности зерен поли- кристаллических вакуумных конденсатов γ-Mo2N оценивалась по уширению дифракционных линий на рентгенограммах. Для покрытий γ-Mo2N харак- терно сильное уширение дифракционных линий как под малыми, так и под большими углами отраже- ний. Величину микроискажений и размеры зерен нитридной фазы рассчитывали по угловой зависи- мости ширины дифракционных линий с использова- нием стандартной методики [14], которая ранее была отработана при исследовании нитридных по- крытий [10]. Оказалось, что покрытия из γ-Mo2N об- ладают высокой степенью дисперсности кристалли- ческих зерен. Их средний размер (диаметр) в фазе γ- Mo2N не превышал 30 нм. Это свидетельствовало о том, что при синтезе нитрида молибдена формиро- вались нанополикристалические покрытия. Рис. 2. Зависимость микротвёрдости покрытий от давления азота при температуре подложки 420 °С (1). Прямой сплошной линией (2) приведено зна- чение микротвердости массивной фазы γ-Mo2N [2] С ростом концентрации азота микротвердость конденсатов скачкообразно увеличивалась, достигая максимального значения 30…34 ГПа (рис. 2) в мо- нофазном нитриде молибдена γ-Mo2N. На рис.2 прямой сплошной линией (2) указана микротвердость массивной поликристаллической керамики γ-Mo2N, полученной консолидацией по- рошкового молибдена реакционным спеканием в среде азота [2]. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Из сопоставления микротвердости нитридных фаз γ-Mo2N следует, что наблюдается эффект скач- кообразного прироста твердости при переходе из массивного состояния материала в состояние покры- тия. Такой переход сопровождается существенным изменением только одного параметра – степени дис- персности кристаллической зеренной структуры. Средний размер кристаллических зерен ( )3d в мас- ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.195 -198. 196 сивной керамике колеблется в широком диапазоне (10…100 мкм) и на несколько порядков превышает средний размер кристаллических зерен в нанострук- турном покрытии из нитрида молибдена ( ≈3d 30 нм). Поэтому эффект прироста твердости в по- крытиях нитрида молибдена γ-Mo2N в сравнении с массивным состоянием однозначно можно связы- вать с формированием в нем наноразмерной зерен- ной структуры. Этот факт отмечался уже ранее [10]. Данный вывод соответствует современным пред- ставлениям о важной роли масштабного структурно- го фактора в материалах, а именно, формирования в них наноструктурного состояния с определяющей ролью межзеренных границ [15]. Роль масштабного структурного фактора в мате- риаловедении известна давно. Сам по себе масштаб- ный структурный фактор играет важную роль при формировании структурно-чувствительных механи- ческих свойств в рамках модели зернограничного упрочнения. При среднем размере зерна ( )3d больше 1 мкм измельчение структуры материала вызывает существенное повышение предела текуче- сти ( )Tσ и разрушающего напряжения ( )Pσ . В первом случае наличие границ зерен в поли- кристаллических материалах препятствует пласти- ческой деформации. Поэтому прочность поликри- сталлических материалов всегда выше прочности монокристаллов. Причем, чем мельче зерно, тем выше упрочнение. Классической теорией, объясня- ющей влияние величины зерна на предел текучести поликристаллического материала, является модель Холла-Петча [16]. Известное уравнение Холла-Пет- ча дает количественную зависимость предела теку- чести поликристаллического материала (металлы, сплавы, керамики) от среднего диаметра зерна ( )3d : 2/1 333 −+=∆+= dkMMT σσσσ , (1) где Mσ – предел текучести матрицы при отсутствии сопротивления межзеренных границ, который мо- жет быть принят как предел текучести монокристал- ла (поскольку, если = ∝3d , то MT σσ = ); 3σ∆ – прирост предела текучести за счет зернограничного упрочнения; 3k – коэффициент зернограничного упрочнения, характеризующий материал и состоя- ние границ. Физический смысл и значение коэффи- циента 3k определяется выбранной моделью зерно- граничного упрочнения [17]. Полученное в рамках дислокационных представ- лений соотношение (1) достаточно хорошо выпол- няется в широком диапазоне средних диаметров зе- рен вплоть до 1мкм. Качественная корреляция меж- ду пределом текучести и твердостью по Викерсу ( )VH при температурах 5,0..4,0≤MTT (где T – температура испытания; MT – температура плавле- ния материала) соответствует эмпирическому соот- ношению 3≈ T VH σ [18]. Отсюда вытекает размерная зависимость твердости 2/1 30 −+≈ dkHHV , (2) где kиH 0 – постоянные величины. Из соотношения (2) следует, что диспергирование зеренной структуры материала ведет к росту его твердости. Во втором случае рост величины разрушающего напряжения с уменьшением среднего диаметра зер- на описывается уравнением Мотта-Стро [19]: 2/1 3 −= dk pPσ , (3) где pk – константа уравнения Мотта-Стро для раз- рушающего напряжения. Из уравнения (3) следует, что диспергирование структуры материала препят- ствует его разрушению. Однако применимость теории Холла-Петча и уравнения Мотта-Стро при переходе к нанострук- турным материалам сталкивается с одним суще- ственным ограничением. Теории предназначены для материалов с размерами зерен, в которых возможно существование дислокационных источников. В на- ноструктурном же материале зерна практически без- дислокационные. К тому же нитридные покрытия γ- Mo2N являются хрупкими. Роль масштабного струк- турного фактора для хрупкой наноструктурной нит- ридной фазы γ-Mo2N, по-видимому, более корректно вытекает из теории Гриффитса [20]. Можно с доста- точным основанием предполагать, что фигурирую- щий в теории средний размер зародышевой нано- скопической трещины l должен напрямую корре- лировать со средним диаметром нанозерна 3d : l E эф kp π γ σ 2 = , (4) где kpσ – критическое напряжение, вызывающее разрастание наноскопической трещины; E – модуль Юнга; эфγ – эффективная свободная энергия об- разования единицы свободной поверхности (удель- ная поверхностная энергия); l – средний размер ми- нимальной наноскопической трещины. Исходя из уравнения (4), уменьшение среднего диаметра нанозерна, которое ограничивает средний размер разрастания внутризеренной наноскопиче- ской трещины, должно также препятствовать разру- шению и вести к повышению прочности. Как след- ствие, имеем рост твердости покрытий. Таким образом, один из основных источников эффекта прироста твердости в покрытиях из нитри- да молибдена в сравнении с его массивным состоя- нием может быть связан с формированием нано- структурного состояния (5): 2/1 3 −≈∆ dkH µ . (5) Данная интерпретация эффекта прироста твердо- сти в покрытиях является альтернативной точке зре- ния о главной роли электронного строения между- ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.195 -198. 197 атомной связи нитридной фазы в рамках конфигура- ционной модели вещества, которая представлена в работах [5,7]. ЛИТЕРАТУРА 1. А.А.Романов, А.А.Андреев, А.С.Логинов, А.В.Колядинский, И.Ф.Приходько, В.М.Горе- лик, А.А.Этингант. Упрочнение режущего инструмента из быстрорежущих сталей мето- дом конденсации с ионной бомбардировкой // Производственно-технический бюллетень, 1973, с. 26-28 2. Свойства, получение и применение тугоплав- ких соединений. Справочник. Под ред. Т.Я. Ко- солаповой. М: «Металлургия», 1986. 3. Г.В. Самсонов. Нитриды. Киев: «Наукова дум- ка», 1969. 4. Г.В.Самсонов, И.Ф.Прядко, Л.Ф.Прядко. Кон- фигурационная модель вещества. Киев: «Нау- кова думка», 1971. 5. В.М. Мацевитый. Покрытия для режущих инструментов. Харьков: Вища школа, 1987. 6. В.В.Кунченко, А.А.Аксенов. Формирование TiN покрытий конденсацией плазмы дуги низ- кого давления с положительным анодным па- дением потенциала. // Вопросы атомной науки и техники. 2000, №4, с. 165-172 7. В.М.Береснев, Д.Л.Перлов, А.И.Федоренко. Экологически безопасные вакуумно-плазмен- ные оборудование и технологии нанесения по- крытий. Харьков: ХИСП, 2003. 8. Г.В.Самсонов, И.Ф.Прядко, Л.Ф.Прядко. Элек- тронная локализация в твердом теле. М: «Наука», 1976. 9. Г.А.Жураковский. Электронная структура тугоплавких соединений. Киев: «Наукова дум- ка», 1976. 10. А.А.Андреев, Л.В.Булатова, А.С.Булатов, Г.Н.Картмазов, Т.В.Кострица, А.А.Романов. Структура высокотвердых покрытий на основе молибдена, полученных при конденсации плазмы вакуумно-дугового разряда. // Метал- ловедение и термическая обработка метал- лов. 1981, №5, с. 33-35. 11. А.А.Андреев, Л.П.Саблев, В.М.Шулаев, С.Н.- Григорьев. Вакуумно-дуговые устройства и покрытия // Харьков: ИПЦ «Контраст», 2005. 12. Л.И.Гетьман, Е.Г.Гольдинер, Г.Н.Гутник. Усо- вершенствование установок Булат-3Т» и пер- спективы их модернизации. // Опыт эксплуа- тации и повышение эффективности использо- вания установок «Булат»: Обзор. М: ЦНИИа- томинформ, 1986. 13. H. Jehn, P. Ettmayer. The Molybdenum – nitrogen fhase diagram // J. Less – Common Metals, 1978, v. 58, p. 85-98 14. С.С.Горелик, Ю.А.Скаков, Л.Н.Расторгуев. Ренгенографический и электронно-оптический анализ. М.: МИСИС, 2002. 15. H. Gleiter. Nanostructured materials: basic concepts and microstructure. // Acta Mater, 2000, v. 48, p. 1-29 16. М.И.Гольдштейн, К.С.Литвинов, Б.М.Брон- фин. Металлофизика высокопрочных сплавов. М: «Металлургия», 1986. 17. В.М.Приходько, Л.Г.Петрова, О.В.Чудина. Ме- таллофизические основы разработок упрочня- ющих технологий. М: «Машиностроение», 2003. 18. D. Tabor. The Hardness of Metals. London: Oxford University Press, 1951. 19. В.М.Сегал, В.И.Резников, В.И.Копылов и др. Процессы структурообразования при пласти- ческой деформации металлов. Минск: «Наука и техника», 1994. 20. Р.А.Андриевский, И.И.Спивак. Прочность ту- гоплавких соединений и материалов на их основе. Челябинск: «Металлургия», 1989. ПРО ЕФЕКТ ПРИРОСТУ ТВЕРДОСТІ В ПОКРИТТЯХ НІТРИДУ МОЛІБДЕНУ В.М. Шулаєв, А.А. Андреєв, Г.М. Картмазов Ґрунтуючись на оригінальних експериментальних результатах авторів і літературних даних, проаналізовані причини ефекту приросту твердості в керамічних покриттях з нітриду молібдену, одержуваних конденсацією з вакуумно-дугового розряду. Інтерпретація ефекту приросту твердості пов'язана з формуванням нанополікристалічної структури в покриттях нітриду молібдену. CONCERNING EFFECT OF HARDNESS INCREASE IN MOLYBDENUM NITRIDE COATINGS V.M. Shlayev, A.A. Andreev, G.N. Kartmazov Basing on original experimental results and literature data the reasons of hardness increase in molybden nitride ceramic coatings, obtained by condensation of vacuum-arc discharge plasma, are analysed. Effect of hardness in- crease is interpreted in terms of nanocrystallite structure formation within molybdenum nitride coatings. ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2006. № 1. Серия: Вакуум, чистые материалы, сверхпроводники (15), с.195 -198. 198 В.М. Шулаев, А.А. Андреев, Г.Н. Картмазов

Об эффекте прироста твердости в покрытиях нитрида молибдена

Institution

Similar Items