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

Таблица 2 . 1 Классификация результатов теста с помощью поперечных насечек

Методика оценки адгезионной прочности пленки в соответствии со стандартом VDI-3198, Германия. Методика склерометрических испы-

таний. Первый способ основан на непрерывном нагружении материала, его деформировании в упругой и упругопластической областях до предельного состояния и последующем разрушении путем горизонтального перемещения индентора, предварительно внедренного на определенную глубину. Второй способ основан на царапании слоя или МП на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 0,5 Н, перемещении столика вместе с образцом и непрерывном вдавливании индентора до обнажения подложки и отслоения слоя или МП. Коэффициент адгезии HSC рассчитывается по отношению площади царапины Sц к площади сколов вокруг царапины Sск: HSC = Sц/Sск. Микрофотографии царапин на слое или МП получаются с использованием оптического микроскопа ЕС МЕТАМ РВ-21.

Метод реплик с использованием склерометрии – царапания материа-

ла МП. Исследуемый слой или МП царапаются иглой из твердого сплава,

21

затем на него методом термического распыления в вакууме наносится Pt-C реплика и отделяется от образца с помощью желатина. Реплика исследуется на просвечивающем электронном микроскопе JEM-200CX. Данный способ используется для качественной оценки адгезии с целью выбора оптимального режима осаждения и состава слоев или МП.

Метод Харьковского политехнического института. На верхний слой МП наносится отпечаток твердости по Роквеллу при нагрузке 1471 Н (индентор – алмазный конус). Качество адгезии оценивается по величине SRC – отношения площади скола слоя или МП возле отпечатка твердости (Sск) к площади отпечатка в плоскости слоя или МП (Sотп):

SRC = (Scк/Sотп) · 100 %.

Метод оценки прочности сцепления пленки к подложке по излому при перегибе образца с пленкой.

2.2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ КОРРОЗИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ ТЕСТОВЫХ

ОБРАЗЦОВ С МНОГОСЛОЙНЫМИ ПЛЕНКАМИ НА ОСНОВЕ ДВУХ-, ТРЕХ-

ИМНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЕВ В РАСТВОРЕ 5 % NaOH, ИЗ Р6М5 –

ВРАСТВОРЫ 5 % NaOH; 0,1 N H2SO4

Оборудование для электрохимических измерений TiN, ZrN, Ti1–xAlxN, TiхZr1–xN слоев и МП на их основе, сформированных с раздельным, одновременным или попеременным использованием различных источников плазмы, – потенциостат П-5827М.

Электрод сравнения – хлорид-серебряный в насыщенном растворе KCl, противоэлектрод – Pt.

Подготовка тестовых образцов: обезжиривают поверхность ацетоном и опускают образцы из ВК8 – в раствор 5 % NaOH, из Р6М5 – в рас-

творы 5 % NaOH; 0,1 N H2SO4.

Для приготовления раствора используют реактивы квалификации ч.д.а., которые растворяют в дистиллированной воде. Измеряют установившийся потенциал свободной коррозии Екор, затем устанавливают потенциал на 200…300 мВ отрицательнее Екор и с полученного потенциала снимают сначала кривую понижения катодной поляризации и после переполюсовки тока – анодную кривую. Токи фиксируют миллиамперметром М2053. Цена деления нижней шкалы токов – 5 мкА. Потенциалы пересчитывают на шкалу – стандартный водородный электрод (с.в.э.). Результаты измерений обрабатывают в программе Еxсеl с построением графиков Е – lgi.

22

Электрохимические измерения в рамках коррозионных испытаний слоев и МП в целом проводят в ячейке ЯСЭ-2 с разделенными пористой стеклянной диафрагмой катодным и анодным отделениями. Для измерения импеданса используют анализатор частотного отклика Solartron 1255 в комплексе с потенциостатом-гальваностатом Solartron 1287 (Solartron Analytical). Амплитуду переменного сигнала принимают 10 мВ. При измерениях используют программы CorrWare2 и ZPlot2 (Scribner Associates, Inc.), для об-

работки импедансных данных – ZView2. Поверхность тестового образца из ВК8 до упрочнения, после упрочнения и коррозионых испытаний исследуют на оптическом микроскопе NEOPHOT c цифровой фотокамерой.

2.3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ КОРРОЗИОННЫХ ИСПЫТАНИЙ

ТЕСТОВЫХ ОБРАЗЦОВ С МНОГОСЛОЙНЫМИ ПЛЕНКАМИ НА ОСНОВЕ

ДВУХ-, ТРЕХ- И МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЕВ В РАСТВОРЕ 3 % NaCl

На автоматизированной установке магнетронного распыления и электродугового испарения УРМЗ.279.048 на подвижных тестовых образцах – пластинках из твердого сплава ВК8 – формировали TiN слой электродуговым испарением (ЭДИ) и ZrN слой – магнетронным распылением на постоянном токе (МР ПТ). Материал верхнего слоя – ZrN. Для придания многослойному покрытию •TiN - ZrN• градиента состава, строения и свойств его получали в результате двойного повторения слоев TiN и ZrN с использованием различных источников плазмы. Методом электродугового испарения TiN слой осаждали при различных давлении Р газовой смеси (0,8–1,4 Па), продолжительности нанесения слоя Т и напряжении смещения на подложке Uподл. Слой ZrN получали при различной мощности магнетронного разряда (N = 1,3 – 2,2 кВт) и продолжительности нанесения слоя Т. Остальные параметры не изменялись (табл. 2.2). В связи с меньшей скоростью осаждения пленок магнетронным распылением по сравнению с электродуговым испарением ZrN слои осаждали большее по продолжительности время (см. табл. 2.2). Коррозионную стойкость многослойных пленок на основе чередующихся слов TiN и ZrN сравнивали с коррозионной стойкостью твердого сплава и однослойной TiN пленки, сформированной импульсным магнетронным распылением (ИМР) на автоматизированной установке UNICOAT-600 (табл. 2.3).

Образцы с покрытиями для электрохимических измерений изолировали эпоксидной смолой так, чтобы открытой оставалась только грань образца с покрытием. Измерения проведены на образцах с покрытиями и на подложке без покрытий. Подготовка поверхности подложки перед нанесением покрытий и перед электрохимическими измерениями была одинаковой.

23

Таблица 2 . 2

Технологические параметры осаждения многослойных пленок на основе чередующихся слоев TiN и ZrN

Таблица 2 . 3

Технологические параметры осаждения однослойной пленки TiN

Измерения проводили при комнатной температуре (22–24 °С) в трехэлектродной ячейке в неперемешиваемом растворе 3 % NaCl в условиях естественной аэрации. Раствор NaCl готовили из реактива марки «хч» и деионизованной воды.

После погружения образца в раствор регистрировали кривую «потенциал разомкнутой цепи – время» в течение 2 ч. За это время потенциал коррозии Екор принимал практически постоянное значение. Затем измеряли спектр импеданса при Екор в диапазоне частот f от 10 000 до 0,003 Гц при амплитуде переменного сигнала 10 мВ. После этого получали анодную потенциодинамическую кривую. Скорость развертки потенциала составляла 1 или 5 мВ/с. Потенциалы были измерены относительно насыщенного хлорид-серебряного электрода и пересчитаны относительно стандартного водородного электрода. Все электрохимические измерения проведены на установке Solartron 1287/1255 (Solartron Analytical).

24

2.4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ТРИБОЛОГИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

ТЕСТОВЫХ ОБРАЗЦОВ С МНОГОСЛОЙНЫМИ ПЛЕНКАМИ

НА ОСНОВЕ ДВУХ-, ТРЕХ- И МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЕВ

Трибологические испытания двух- и трехкомпонентных слоев, а также МП на их основе проводили по схеме «палец-диск» на машине трения (табл. 2.4). Профилограммы поверхности слоев и МП после трибологических испытаний получали и обрабатывали с использованием высокоточного круг-

ломера MarForm MMQ 400, оснащенного программой MarShell MarWin.

Трибологические свойства слоев и многослойных пленок на их основе оценивали по антифрикционным свойствам: коэффициенту f и моменту трения Мтр (за f и Мтр принимать средние значения от полученных за 3 секунды с момента прохождения пальцами пути трения 10 м); износостойким свойствам: массовому износу ∆m, объему лунки износа Vп, приведенному износу пленки по массе Iпm и объему IпV , изнашивающей способности пленки по отношению к контртелу: скорости износа контртела Vк и приведенному износу контртела по объему IкV .

25

2.5. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ

ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МНОГОСЛОЙНЫХ

ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ДВУХ-, ТРЕХ- И МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЕВ

Механические испытания тестовых образцов с МП на основе двух-, трех- и многокомпонентных слоев проводили методом наноиндентации в соответствии с DIN EN ISO 14577-1 с использованием измерительной системы FISCHERSCOPE Н100С и в соответствии с Международным стандартом ISO 14577 с использованием Micro-combi tester путем математической обработки серии полученных экспериментальных кривых нагрузки/разгрузки тестового образца с однослойной или многослойной пленкой. В течение тестовой процедуры нагрузку постепенно увеличивали до заданной величины, а затем снижали до нулевого значения. Нагрузку выбирали в соответствии с правилом Buckle (глубина вдавливания индентора составляла менее 10 % от толщины слоя или МП).

Исследуемые характеристики: Н (ГПа) – инденторная нанотвердость; НUp1 (ГПа) – пластическая твердость, учитывающая только пластическую деформацию, E* = E/(l – ν2) (ГПа) – приведенный модуль Юнга, где ν – коэффициент Пуассона; H/E – стойкость МП к упругой деформации; Н3/Е*2 (в дальнейшем H3/Е2) (ГПа) – стойкость МП к пластической деформации;

We (%) – упругое восстановление. Результаты измерений оформляются в виде объединенной таблицы измерений.

Микротвердость следует определять как самих двух-, трех- и многокомпонентных слоев и МП в целом, так и микротвердость композиции многослойная пленка – подложка с использованием микротвердомера ПМТ-3 и динамического ультрамикротвердомера SHIMADZU DUH-211S (Япония). Отпечатки четырехгранной алмазной пирамиды с нагрузкой на инденторе 0,5; 1; 2 Н надо снимать на сканирующем зондовом микроскопе SolverNext, позволяющем исследовать поверхность слоев или МП в контактном, полуконтактном динамическом режиме.

На динамическом микротвердомере SHIMADZU HMV-2000 определяли динамическую микротвердость (НМ115) полученных однослойных и многослойных пленок. Вдавливание производили трехгранной пирамидой с углом при вершине 115° с увеличением нагрузки до максимума с постоянной скоростью. После достижения максимальной нагрузки необходимо поддерживать ее заданное время, затем производить процесс разгрузки. Возможные нагрузки – 3, 100, 1000, 1961 мН.

26

2.6.МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ СТОЙКОСТНЫХ ИСПЫТАНИЙ

ИИССЛЕДОВАНИЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ СТАБИЛЬНОСТИ УПРОЧНЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ В РАЗЛИЧНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ УСЛОВИЯХ

27

При проведении испытаний изменяли только материал однослойных и многослойных пленок.

За износ принимали изменение геометрических параметров сверла по основным конструктивным элементам, включая режущие кромки, основные и вспомогательные поверхности. Качество обработки пластин сверлами осуществляли по форме и размеру стружки, характеру сверления (ровный, прерывистый, с вибрацией и рывками), величине осевой силы, износу геометрических конструктивных элементов сверла, характеру износа однослойных и многослойных пленок, качеству внутренней поверхности отверстия, наличию заусенцев и смятия на выходе.

Для всех опытов толщина МП должна быть идентичной.

2.7.МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХРУПКОСТИ СЛОЕВ

ИМНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ДВУХ-, ТРЕХ-

ИМНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЕВ

Хрупкость однослойных и многослойных пленок оценивают на тестовых образцах по виду отпечатков, нанесенных алмазными пирамидами на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузке 1,962 Н (0,2 кгс) и на твердомере Виккерса при нагрузке 49,03 Н (5 кгс) в соответствии со шкалой ПИ1.2.052-78.

2.8. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ УПРОЧНЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ИНСТРУМЕНТА И ПАР ТРЕНИЯ С ОДНОСЛОЙНЫМИ И МНОГОСЛОЙНЫМИ ПЛЕНКАМИ НА ОСНОВЕ ДВУХ-, ТРЕХ- И МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СЛОЕВ

Промышленные испытания проводят при различных режимах обработки с целью определения экстремальных условий работы технологического инструмента из быстрорежущей стали с однослойными и многослойными пленками.

1.На предприятии химической промышленности испытывают сверла

3,5; 8 и 11,8 мм из Р6М5 и HSS с МП на основе двухкомпонентных ZrN,

трехкомпонентных TiхZr1–хN и многокомпонентных Ti-B-Si-N слоев, а также пальчиковые 8, 20, 22 мм и дисковые 100×3, 125×4, 160×4 мм фрезы,

машинные ножовочные полотна 450×32×2×4 мм с МП на основе много-

компонентных Ti-B-Si-N и Ti-Zr-O-N слоев.

28

Обрабатываемый материал: коррозионно-стойкие стали 12Х18Н10Т, 08Х17Н13М2Т, 10Х17Н13МЗТ, жаропрочная сталь ХН10Ю, конструкционные легированные 25X1МФ, 40Х, 30ХМА, 40ХФА и углеродистые Ст. 3, 20, 35, 45 стали (без термообработки, техническая необходимость) и наплавленный металл электродов типа: Э42А, Э46, Э-09Х1МФ, Э-02Х20Н14Г2М2,

Э-09Х19Н10Г2М2Б, Э-10Х20Н17Г2М2Б2В, Э-10Х25Н13Г2.

2. На предприятии авиационной промышленности испытывают мелкоразмерный инструмент с многослойной пленкой на основе поликристаллических и наноструктурированных TiN слоев (сверла 1,58 мм).

3. На предприятии горнодобывающей промышленности испытывают отрезные фрезы 500 мм камнерезной машины модели МКД-3, оснащенные 48 резцами РС-14 с твердосплавными вставками из ВК8 с многокомпонентной многослойной пленкой на основе TiхZr1–хN слоев. Прочность природного сильвинитового пласта Кр-II при одноосном сжатии составляет

21,6 МПа, частота вращения отрезного диска 124…143 об/мин, Vподачи отрезного диска 0…2,5 мм/об.

4. На предприятии горнодобывающей промышленности испытывают резцы РС-14 и коронки ДУ-42 проходческого комбайна «Урал-20Р» с многослойной пленкой на основе двух- и трехкомпонентных TiхZr1–хN, TiC-TiZrN-TiC, Ti-Zr-С-N и Ti1–хAlхN слоев. Устанавливают 15 шт. неуп-

рочненных резцов РС-14 (без маркировки) на первый резцовый диск левого раздаточного редуктора и 15 шт. упрочненных резцов РС-14 – на второй резцовый диск левого раздаточного редуктора. Обрабатывают твердый сильвинитовый пласт Кр-II в соответствии с эксплуатационными режимами работы резцового диска: обороты резцового диска – 40,7 об/мин; подача резцового диска – 0,25…0,26 м/мин; обороты планетарной передачи – 4,2 об/мин. Для оценки эффективности многокомпонентной многослойной TiC-TiхZr1–хN-TiC пленки, формируемой комбинированным методом, неупрочненные и упрочненные резцы РС-14 устанавливают идентично на резцовые диски правого раздаточного редуктора (рис. 2.1, а, б). Коронки ДУ-42 (рис. 2.1, в–д) с многослойными TiC-TiхZr1–хN-TiC и Ti1–хAlхN плен-

ками испытывают на буровых штангах проходческого комбайна.

5.На предприятии металлургической промышленности испытывают сверла 4,2 и14 ммсмногокомпонентнымиизносостойкимиTi (B+20 % Si) N

иTi-B-Si-N пленками.

6.На предприятии машиностроительной промышленности испыты-

вают сложно нагруженные сверла 8,4 мм с многослойными пленками на основе двух- и трехкомпонентных TixZr1–xN, Ti1–xAlxN и Al2O3 слоев.

29