О влиянии атомарного азота на процесс синтеза вакуумно-дуговых покрытий Mо-N
Исследованы покрытия, полученные путем вакуумно-дугового испарения молибдена в среде азота. Показано, что в процессе конденсации происходит образование пересыщенных твердых растворов внедрения азота в молибдене, монофазного нитрида молибдена, а также смесь этих фаз. Основную роль в синтезе Мо-N п...
Saved in:
| Published in: | Физическая инженерия поверхности |
|---|---|
| Date: | 2007 |
| Main Authors: | , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України
2007
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98809 |
| 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: | О влиянии атомарного азота на процесс синтеза вакуумно-дуговых покрытий Mо-N / В.М. Шулаев, А.А. Андреев // Физическая инженерия поверхности. — 2007. — Т. 5, № 1-2. — С. 75–78. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859711684999905280 |
|---|---|
| author | Шулаев, В.М. Андреев, А.А. |
| author_facet | Шулаев, В.М. Андреев, А.А. |
| citation_txt | О влиянии атомарного азота на процесс синтеза вакуумно-дуговых покрытий Mо-N / В.М. Шулаев, А.А. Андреев // Физическая инженерия поверхности. — 2007. — Т. 5, № 1-2. — С. 75–78. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физическая инженерия поверхности |
| description | Исследованы покрытия, полученные путем вакуумно-дугового испарения молибдена в среде
азота. Показано, что в процессе конденсации происходит образование пересыщенных твердых
растворов внедрения азота в молибдене, монофазного нитрида молибдена, а также смесь
этих фаз. Основную роль в синтезе Мо-N покрытий играет атомарный азот.
Досліджено покриття, отримані шляхом вакуумно-дугового випарювання молібдену в середовищі азоту. Встановлено, що в процесі конденсації має місце утворення перенасичених твердих
розчинів проникнення азоту в молібден, монофазного нітриду молібдену, а такожсуміш цихфаз.
Основну роль у синтезі Мо-N покриттів відіграє
атомарний азот.
The coverings received by vacuum-arc evaporation
of molybdenum in the environment of nitrogen are
investigated. It is shown, that during condensation
there is a formation oversaturated solid solutions of
inculcation of nitrogen in molybdenum, monophase
nitride of molybdenum, and also a mix of these phases.
The basic role in synthesis Мо-N of coverings
is played with atomic nitrogen.
|
| first_indexed | 2025-12-01T05:06:25Z |
| format | Article |
| fulltext |
ФІП ФИП PSE, 2007, т. 5, № 1-2, vol. 5, No. 1-2 75
ВВЕДЕНИЕ
Вакуумно-дуговые покрытия на основе нит-
рида молибдена обладают высокой износо-
стойкостью, которая обеспечивается не толь-
ко высокой твёрдостью, но также образова-
нием в процессе трения окислов молибдена,
уменьшающих адгезионное взаимодействие
с контртелом.
В электродуговом разряде молибден пре-
образуется в потоки высокоионизированной
низкотемпературной плазмы. Образование
покрытия происходит в процессе конденса-
ции на подложку частиц молибдена, взаимо-
действующих на ее поверхности с частицами
азота. Фазообразование в Мо-N-покрытиях
является многофакторным процессом и в
значительной степени определяется пара-
метрами конденсации плазменного потока
(давлением реакционного газа, фоновым
давлением остаточных газов, температурой
и потенциалом подложки, скоростью осаж-
дения, расстоянием между поверхностью
испаряемого катода и поверхностью обра-
батываемого изделия и др.) [1]. Следует от-
метить, что в системе молибден-азот имеет-
ся несколько нитридных фаз, которые раз-
личаются между собой по свойствам. Кроме
того, хорошо известно, что процесс фазооб-
разования (синтеза продуктов реакции мо-
либдена с азотом) в пленках и покрытиях не-
обязательно совпадают с фазовыми состоя-
ниями в массивных образцах и фазовыми со-
отношениями, характерными для равновес-
ной диаграммы состояния. Важным фактором
является то обстоятельство, что процесс син-
теза при вакуумно-дуговом осаждении про-
текает в условиях крайне далеких от термо-
динамического равновесия. Поэтому синтез
монофазных покрытий в системе Мо-N явля-
ется достаточно сложной технической зада-
чей, в силу многофакторности этого про-
цесса.
Цель данной работы – оценка влияния ато-
марного азота на процесс фазообразования
Мо-N-покрытий, получаемых из вакуумно-
дугового разряда, а также обсуждение неко-
торых аспектов механизма синтеза нитрид-
содержащей фазы γ-Mo2N в этой системе.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Вакуумные конденсаты нитридов молибдена
осаждали на вакуумно-дуговой установке
“Булат-3Т”. Плазменный поток создавался
стационарным вакуумно-дуговым разрядом
при токе дуги Iд = 180 А. В качестве катодного
материала источника плазмы использовался
молибден марки МЧВП. Технологический
процесс нанесения нитридного покрытия
включал две основные операции: очистку
поверхности подложки и конденсацию.
Очистка достигалась бомбардировкой повер-
хности подложки в течение 1 ÷ 2 мин иона-
ми молибдена, ускоренными отрицатель-
ным потенциалом Uп = 1,1 кВ, подаваемым
на подложку, при давлении остаточных газов
Р ≈ 10–3 Па. Конденсация покрытия прово-
дилась непосредственно после очистки по-
верхности в интервале значений отрицате-
льного потенциала на подложке от Uп = 20 ÷
25 В. При этом устанавливалось необходи-
мое по условиям эксперимента давление аз-
та в реакционной камере, которое варьиро-
валось в диапазоне от 10–3 до 1 Па. Скорость
конденсации покрытий 20 мкм/ч. Темпера-
УДК621.793.14 : 620.184.187
О ВЛИЯНИИ АТОМАРНОГО АЗОТА НА ПРОЦЕСС СИНТЕЗА
ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ ПОКРЫТИЙ Мо – N
В.М. Шулаев, А.А. Андреев
Национальный научный центр “Харьковский физико-технический институт”
Украина
Поступила в редакцию 03.04.2007
Исследованы покрытия, полученные путем вакуумно-дугового испарения молибдена в среде
азота. Показано, что в процессе конденсации происходит образование пересыщенных твердых
растворов внедрения азота в молибдене, монофазного нитрида молибдена, а также смесь
этих фаз. Основную роль в синтезе Мо-N покрытий играет атомарный азот.
ФІП ФИП PSE, 2007, т. 5, № 1-2, vol. 5, No. 1-276
тура подложки составляла 400 ÷ 500 °С. В
качестве подложек использовали полирован-
ные образцы нержавеющей стали марки
12Х18Н10Т. Температуру образцов в процессе
конденсации контролировали хромель-алю-
мелевой термопарой или с помощью пиро-
метра. Расстояние от испарителя до подлож-
ки составляло 270 мм. Толщина покрытия не
менее 10 мкм. Микротвердость определяли с
помощью микротвердомера ПМТ-3 при
нагрузке 1 Н. Фазовый состав нитридных по-
крытий исследовался рентгенографическим
методом.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В процессе синтеза покрытий при конден-
сации потока газо-металлической плазмы
вакуумно-дугового разряда при температуре
подложки 400 ÷ 500 °С в зависимости от
давления азота в реакционной камере про-
исходило образование и стабилизация фаз, не
наблюдаемых в массивных образцах в соот-
ветствии с диаграммой состояния Mo -N в
исследованном температурном интервале.
Среди продуктов синтеза рентгенофазовым
анализом однозначно идентифицировались:
пересыщенные твердые растворы азота в
кристаллической ОЦК-решетке молибдена
(α′-Мо), высокотемпературная фаза γ-Mo2N,
двухфазная область сосуществования α′-Мо и
γ-Mo2N в исследованном диапазоне темпе-
ратур подложек.
Зависимость микротвердости Мо-N-по-
крытий от давления азота приведена на
рис. 1. Из него следует, что синтез нитридсо-
держащих фаз имеет особенности протека-
ния в различных диапазонах давлений ре-
акционного газа. Условно всю область иссле-
дуемых давлений можно разбить на три ди-
апазона. Первый диапазон давлений реак-
ционного газа обнаруживается от предель-
ного фонового давления остаточных газов,
которое составляло 6,6⋅10–3 Па, до давления
азота 6⋅10–2 Па. В этом диапазоне давлений,
по данным рентгенофазового анализа, проис-
ходит легирование конденсатов молибдена
азотом с образованием пересыщенных твер-
дых растворов внедрения азота в кристал-
лической ОЦК-решетке молибдена (α′-Мо).
С приближением давления азота к границе
первого диапазона из пересыщенного твер-
дого раствора внедрения начинает выделять-
ся высокотемпературная фаза нитрида мо-
либдена γ-Mo2N.
Во втором, относительно узком, диапазоне
давлений от 6·10-2 до 4·10-1 Па происходит
“лавинообразное” насыщение конденсата
азотом. В этом диапазоне сосуществуют две
фазы α′-Мо и γ-Mo2N. С ростом концентра-
ции азота в конденсате объемная доля нит-
рида молибдена γ-Mo2N непрерывно увели-
чивается.
В 3-м диапазоне давлений (Р > 4·10–1 Па)
синтезируется только монофазное γ-Mo2N-
покрытие.
Следует отметить, что при вакуумно-дуго-
вом осаждении покрытий существенно рас-
ширяется область существования высокотем-
пературной модификации γ-Mo2N и подавля-
ется синтез низкотемпературной модифика-
ции β-Mo2N.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Ранее при обсуждении процесса образова-
ния нитридных фаз предполагалось, что
захват азота, непрерывно осаждаемый молиб-
деном, происходит по механизму молекуляр-
Рис. 1. Зависимость микротвердости покрытий от дав-
ления азота при температуре подложки ~ 420 °С (кри-
вая 1). Прямой линией (2) приведено значение микро-
твердости массивной фазы γ-Mo2N.
О ВЛИЯНИИ АТОМАРНОГО АЗОТА НА ПРОЦЕСС СИНТЕЗА ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ ПОКРЫТИЙ Мо – N
ФІП ФИП PSE, 2007, т. 5, № 1-2, vol. 5, No. 1-2 77
ной адсорбции поверхностью роста конден-
сируемой фазы [2]. По мнению авторов [2],
молекулы азота (N2(газ)) вначале физически ад-
сорбируются на фронте осаждения покрытия
в виде нейтральных молекул (N2(адс)), затем
происходит их диссоциация и последующая
хемосорбция атомов азота (Nадс) на атомах
металла (Me) по следующей схеме:
N2(газ) → N2(адс)→ Nадс + Nадс
↓ ↓
Me Me
Данная схема синтеза была предложена
для системы титан-азот. Однако в случае сис-
темы молибден-азот такая химическая реак-
ция не имеет места. Для того, чтобы переход
молекул азота был энергетически выгоден в
диссоциативное хемосорбированное состоя-
ние по вышеприведенной схеме необходимо
обеспечить выполнение соотношения [3]:
Qc > (1/2)Ed
где Qc – теплота хемосорбции; Ed– энергия
диссоциации.
Молекула азота является наиболее прочной
среди гомоатомных молекул. Энергия диссо-
циации N2 на два атома азота составляет
Ed = 941,6 кДж/моль [4]. Теплота хемосорбции
азота на молибдене составляет Qc = 395кДж/
моль [5]. Эта величина составляет меньше по-
ловины энергии диссоциации. Поэтому пря-
мая реакция перехода молекул азота после фи-
зической адсорбции на фронте осаждения мо-
либдена с последующей диссоциацией на
атомы, которые затем хемосорбируются, не-
возможна без дополнительной активации.
При исследованиях вакумно-дуговой газо-
металлической плазмы было показано, что с
ростом давления реакционного газа в диапа-
зоне 0,001…0 Па имеет место непрерывный
рост концентрации молекулярных ионов и
нейтральных атомов азота (рис. 2) [1].
Видимо, соотношение частиц атомарного
азота и молибдена становится примерно рав-
ным в диапазоне давлений 0,1÷ 0,6 Па, когда
имеет место скачок микротвердости и обра-
зование нитрида.
Однако при включении какого-либо меха-
низма увеличения концентрации в газо-ме-
таллической плазме атомарного азота образо-
вание нитридов начинается при значительно
меньших давлениях.
Концентрация атомарного азота может
быть увеличена различными путями, в част-
каемого азота в высоковольтном разряде, ле-
гированием испаряемого молибдена актив-
ными металлами (например, Ti, Zr, Cr), кото-
рые способствуют диссоциации молекул азо-
та на поверхности; использованием газовых
смесей с азотом, содержащих газы, которые
образуют в дуговом разряде непрочные хи-
мические соединения с азотом (например, ам-
миак), применением магнитных полей, уве-
личивающих энергию электронов в разряде,
и, таким образом, увеличивающих вероят-
ность диссоциации молекул азота (рис. 3).
Рис. 2. Зависимости от давления азота концентраций:
1 – ионов N2
+; 2 – атомов азота; 3 – молекул азота в
состоянии B3Пg; 4 – молекул в состоянии A3Уи
+ [1].
Рис. 3. Зависимость микротвердости покрытий Мо-N
от давления газа в вакуумной камере в процессе осаж-
дения. 1 – катод МЧВП, газ – азот; 2 – катод МЧВП, газ
– смесь азота и сероводорода (75%N2, 25%Н2S); 3 – ка-
тод – молибденовый сплав, содержащий 0,13% Ti и
0,66% Zr, газ – азот; 4 – катод МЧВП, газ – азот, воз-
бужденный в высоковольтном тлеющем разряде.
В.М. ШУЛАЕВ, А.А. АНДРЕЕВ
ФІП ФИП PSE, 2007, т. 5, № 1-2, vol. 5, No. 1-278
При напуске в камеру смеси азота с серо-
водородом последний распадается в разряде
с образованием непрочного аммиака, кото-
рый легко разваливается на поверхности кон-
денсата, образуя атомарный азот [1].
ВЫВОДЫ
Основную роль в образовании нитридных
фаз играет атомарный азот.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андреев А.А., Саблев Л.П., Шулаев В.М.,
Григорьев С.Н. Вакуумно-дуговые устройс-
тва и покрытия. Харьков.: ННЦ ХФТИ.– 2005.
ABOUT INFLUENCE OF ATOMIC
NITROGEN ON PROCESS OF
SYNTHESIS OF VACUUM-ARC
COVERINGS Мо-N
V.M. Shulayev, A.A. Andreyev
The coverings received by vacuum-arc evaporation
of molybdenum in the environment of nitrogen are
investigated. It is shown, that during condensation
there is a formation oversaturated solid solutions of
inculcation of nitrogen in molybdenum, monophase
nitride of molybdenum, and also a mix of these pha-
ses. The basic role in synthesis Мо-N of coverings
is played with atomic nitrogen.
ПРО ВПЛИВ АТОМАРНОГО АЗОТУ
НА ПРОЦЕС СИНТЕЗУ
ВАКУУМНО-ДУГОВИХ
ПОКРИТТІВ Мо–N
В.М. Шулаєв, А.О. Андреєв
Досліджено покриття, отримані шляхом ваку-
умно-дугового випарювання молібдену в середо-
вищі азоту. Встановлено, що в процесі конден-
сації має місце утворення перенасичених твердих
розчинів проникнення азоту в молібден, моно-
фазного нітриду молібдену, а також суміш цих фаз.
Основну роль у синтезі Мо-N покриттів відіграє
атомарний азот.
2. Барвинок В.А., Богданович В.И., Митин Б.С.,
Бобров Г.В., Брунова Г.З. Закономерности
формирования покрытий в вакууме//Физика
и химия обработки материалов. – 1986. –
№ 5. – С. 92-97.
3. Коган В.С., Сокол А.А., Шулаев В.М. Влия-
ние вакуумных условий на формирование
структуры конденсатов. І. Взаимодействие
активных газов с металлическими пленками:
Обзор. – ЦНИИатоминформ, 1987.
4. Темкин О.Н. Химия молекулярного азота//
Соросовский образовательный журнал. –
1997. – № 10. – С. 98-104.
5. Коган Я.Д., Колачев Б.А., Левинский Ю.В.,
Назимов О.П., Фишгойт А.В. Константы и
взаимодействия металлов с газами. Справоч-
ник. – М.: Металлургия, 1987.
О ВЛИЯНИИ АТОМАРНОГО АЗОТА НА ПРОЦЕСС СИНТЕЗА ВАКУУМНО-ДУГОВЫХ ПОКРЫТИЙ Мо – N
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-98809 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1999-8074 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-01T05:06:25Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Шулаев, В.М. Андреев, А.А. 2016-04-17T21:52:31Z 2016-04-17T21:52:31Z 2007 О влиянии атомарного азота на процесс синтеза вакуумно-дуговых покрытий Mо-N / В.М. Шулаев, А.А. Андреев // Физическая инженерия поверхности. — 2007. — Т. 5, № 1-2. — С. 75–78. — Бібліогр.: 5 назв. — рос. 1999-8074 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98809 621.793.14 : 620.184.187 Исследованы покрытия, полученные путем вакуумно-дугового испарения молибдена в среде азота. Показано, что в процессе конденсации происходит образование пересыщенных твердых растворов внедрения азота в молибдене, монофазного нитрида молибдена, а также смесь этих фаз. Основную роль в синтезе Мо-N покрытий играет атомарный азот. Досліджено покриття, отримані шляхом вакуумно-дугового випарювання молібдену в середовищі азоту. Встановлено, що в процесі конденсації має місце утворення перенасичених твердих розчинів проникнення азоту в молібден, монофазного нітриду молібдену, а такожсуміш цихфаз. Основну роль у синтезі Мо-N покриттів відіграє атомарний азот. The coverings received by vacuum-arc evaporation of molybdenum in the environment of nitrogen are investigated. It is shown, that during condensation there is a formation oversaturated solid solutions of inculcation of nitrogen in molybdenum, monophase nitride of molybdenum, and also a mix of these phases. The basic role in synthesis Мо-N of coverings is played with atomic nitrogen. ru Науковий фізико-технологічний центр МОН та НАН України Физическая инженерия поверхности О влиянии атомарного азота на процесс синтеза вакуумно-дуговых покрытий Mо-N Про вплив атомарного азоту на процес синтезу вакуумно-дугових покриттів Mо-N About influence of atomic nitrogen on process of synthesis of vacuum-arc coverings Mо-N Article published earlier |
| spellingShingle | О влиянии атомарного азота на процесс синтеза вакуумно-дуговых покрытий Mо-N Шулаев, В.М. Андреев, А.А. |
| title | О влиянии атомарного азота на процесс синтеза вакуумно-дуговых покрытий Mо-N |
| title_alt | Про вплив атомарного азоту на процес синтезу вакуумно-дугових покриттів Mо-N About influence of atomic nitrogen on process of synthesis of vacuum-arc coverings Mо-N |
| title_full | О влиянии атомарного азота на процесс синтеза вакуумно-дуговых покрытий Mо-N |
| title_fullStr | О влиянии атомарного азота на процесс синтеза вакуумно-дуговых покрытий Mо-N |
| title_full_unstemmed | О влиянии атомарного азота на процесс синтеза вакуумно-дуговых покрытий Mо-N |
| title_short | О влиянии атомарного азота на процесс синтеза вакуумно-дуговых покрытий Mо-N |
| title_sort | о влиянии атомарного азота на процесс синтеза вакуумно-дуговых покрытий mо-n |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/98809 |
| work_keys_str_mv | AT šulaevvm ovliâniiatomarnogoazotanaprocesssintezavakuumnodugovyhpokrytiimon AT andreevaa ovliâniiatomarnogoazotanaprocesssintezavakuumnodugovyhpokrytiimon AT šulaevvm provplivatomarnogoazotunaprocessintezuvakuumnodugovihpokrittívmon AT andreevaa provplivatomarnogoazotunaprocessintezuvakuumnodugovihpokrittívmon AT šulaevvm aboutinfluenceofatomicnitrogenonprocessofsynthesisofvacuumarccoveringsmon AT andreevaa aboutinfluenceofatomicnitrogenonprocessofsynthesisofvacuumarccoveringsmon |