Многокомпонентные наноструктурированные покрытия на основе нитридов
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
А.Л. Каменева
МНОГОКОМПОНЕНТНЫЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ПОКРЫТИЯ НА ОСНОВЕ НИТРИДОВ МЕТАЛЛОВ
III И IV ГРУПП ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ УПРОЧНЕНИЯ РЕЗЬБОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ: РАЗРАБОТКА, ПОЛУЧЕНИЕ, ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2013
УДК 669.24:669.295 К18
Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент Н.И. Сушенцов (Марийский государственный технический университет);
д-р техн. наук, профессор В.Ф. Макаров (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Каменева, А.Л.
К18 Многокомпонентные наноструктурированные покрытия на основе нитридов металлов III и IV групп Периодической системы для упрочнения резьбовых соединений: разработка, получение, исследование и испытание : учеб. пособие / А.Л. Каменева. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2013. – 170 с.
ISBN 978-5-398-01103-6
Представлено современное решение проблемы получения многослойных наноразмерных покрытий на основе двухкомпонентных слоев нитридов элементов III и IV групп Периодической системы с комплексом высоких физикомеханических, антифрикционных, адгезионных, коррозионных, износо-, трещино- и теплостойких свойств широкой области применения.
Предназначено для бакалавров, магистров, аспирантов и ученых, обучающихся и работающих в области технологии получения поликристаллических наноструктурированных многослойных покрытий.
УДК 669.24:669.295
ISBN 978-5-398-01103-6 |
© ПНИПУ, 2013 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Список условных обозначений и сокращений........................................... |
7 |
Введение ............................................................................................................ |
10 |
1. Аналитический обзор.................................................................................. |
14 |
1.1. Особенности получения ионно-плазменных поликристаллических |
|
покрытий......................................................................................................... |
14 |
1.2. Сложность получения ионно-плазменных поликристаллических |
|
покрытий с заданными стабильными эксплуатационными свойствами... |
15 |
1.3. Технологическо-эксплуатационная наследственность процесса |
|
изготовления ТИ и ПТ на процесс структурообразования |
|
ионно-плазменных поликристаллических покрытий.................................. |
16 |
1.4. Технологическо-эксплуатационная наследственность процессов |
|
испарения/распыления катодов/мишеней на процесс |
|
структурообразования ионно-плазменных поликристаллических |
|
покрытий......................................................................................................... |
19 |
1.5. Зависимость процесса структурообразования ионно-плазменных |
|
поликристаллических покрытий от технологических и температурных |
|
условий его протекания................................................................................. |
25 |
1.5.1. Влияние технологических параметров процесса осаждения |
|
ионно-плазменных поликристаллических покрытий |
|
на их температуру в процессе структурообразования........................... |
25 |
1.5.2. Влияние технологических и температурных параметров |
|
процесса осаждения ионно-плазменных поликристаллических |
|
покрытий на стадии их структурообразования...................................... |
28 |
1.5.3. Влияние технологических параметров процесса |
|
осаждения ионно-плазменных поликристаллических покрытий |
|
на их структуру, состав и свойства.......................................................... |
31 |
1.5.4. Влияние технологических и температурных параметров |
|
процесса осаждения ионно-плазменных поликристаллических |
|
покрытий на их дефектность.................................................................... |
35 |
1.5.5. Прогнозирование структуры ионно-плазменных |
|
поликристаллических покрытий по изменению технологических |
|
и температурных параметров в процессе их структурообразования.... |
36 |
1.5.6. Способы управления структурой ионно-плазменных |
|
поликристаллических покрытий в процессе их |
|
структурообразования .............................................................................. |
44 |
1.6. Опыт получения ионно-плазменных поликристаллических |
|
покрытий с заданными стабильными эксплуатационными свойствами... |
46 |
1.7. Комплекс технологических решений для достижения |
|
поставленной в работе цели .......................................................................... |
47 |
3
2. Оборудование и температурные условия формирования |
|
многослойных покрытий на основе двухкомпонентных слоев |
|
нитридов тугоплавких металлов................................................................ |
49 |
2.1. Технические характеристики вакуумных установок............................ |
49 |
2.2. Изменение температуры подложки и подслоя в зависимости |
|
от высокого напряжения и продолжительности ионной очистки........... |
51 |
2.3. Изменение температуры двухкомпонентных слоев покрытий |
|
в зависимости от ТехП процесса их осаждения, типа и количества |
|
источников плазмы....................................................................................... |
53 |
2.4. Эксплуатационные характеристики используемых |
|
для упрочнения ТИ и ПТ двухкомпонентных слоев покрытий................ |
56 |
3. Установление технологических и температурных условий |
|
формирования наноструктурированных и поликристаллических |
|
слоев многослойных покрытий в зависимости от термического |
|
состояния подложки и катодов/мишеней, ТехП и ТемП процесса |
|
осаждения и технологических особенностей источника плазмы......... |
58 |
3.1. Методика исследования структуры и морфологических |
|
особенностей поверхности многокомпонентных слоев |
|
многослойных покрытий............................................................................. |
58 |
3.2. Изучение процесса структурообразования двухкомпонентных |
|
слоев покрытий на кратковременно нагретой подложке в зависимости |
|
от технологических особенностей источника плазмы, ТехП и ТемП |
|
процесса осаждения ..................................................................................... |
59 |
3.2.1. Изучение процесса структурообразования двухкомпонентных |
|
TiN покрытий в зависимости от ТехП и ТемП процесса ЭДИ............. |
59 |
3.2.2. Процесс структурообразования двухкомпонентных ZrN |
|
слоев покрытий в зависимости от ТехП и ТемП процесса ЭДИ......... |
72 |
3.2.3. Процесс структурообразования двухкомпонентных ZrN |
|
покрытий в зависимости от ТехП и ТемП процесса МР ..................... |
73 |
3.2.4. Процесс структурообразования двухкомпонентных TiN |
|
слоев покрытий в зависимости от ТехП и ТемП процесса МР........... |
79 |
3.2.5. Общие закономерности процессов структурообразования |
|
двухкомпонентных покрытий на кратковременно нагретой |
|
подложке в зависимости от термического состояния подложки |
|
и катодов/мишеней, ТехП и ТемП процесса осаждения, |
|
технологических особенностей источника плазмы .............................. |
80 |
3.2.6. Оптимизация процесса получения многослойных |
|
наноразмерных покрытий на основе поликристаллических |
|
и наноструктурированных двухкомпонентных слоев |
|
на кратковременно нагретой подложке.................................................. |
82 |
4
4. Изучение строения, фазового и элементного состава, термической стабильности и напряжений в многослойных покрытиях на основе двухкомпонентных слоев в зависимости от термического состояния подложки и катодов/мишеней, ТехП и ТемП процесса осаждения слоев и технологических особенностей источника плазмы................... 84
4.1. Методики изучения структуры, состава, напряжений, термической стабильности и толщины двухкомпонентных покрытий.... 84 4.2. Изучение строения, фазового состава и напряжений
вдвухкомпонентных слоях покрытий на основе нитрида тугоплавкого металла на кратковременно нагретой подложке
взависимости от технологических особенностей источника
плазмы, ТехП и ТемП процесса осаждения................................................ |
87 |
4.2.1. Изучение строения, фазового состава и напряжений |
|
в двухкомпонентных TiN слоях покрытий в зависимости |
|
от ТехП и ТемП процесса ЭДИ, МР, ЭДИ+МР...................................... |
87 |
4.2.2. Изучение строения, фазового состава и напряжений |
|
в двухкомпонентных ZrN слоях покрытий в зависимости |
|
от ТехП и ТемП процесса ЭДИ, МР, ЭДИ+МР...................................... |
90 |
4.2.3. Общие особенности строения, фазового состава |
|
и напряжений в TiN, ZrN слоях покрытий, формируемых |
|
с использованием различных источников плазмы................................. |
95 |
5. Изучение функциональных свойств многослойных покрытий |
|
на основе двухкомпонентных слоев в зависимости от их строения, |
|
фазового и элементного состава, термической стабильности................ |
97 |
5.1. Методики изучения функциональных свойств многослойных |
|
покрытий на основе двухкомпонентных слоев и эксплуатационных |
|
свойств упрочненного технологического инструмента и пар трения...... |
97 |
5.2. Функциональные свойства двухкомпонентных слоев покрытий |
|
на основе нитрида тугоплавкого металла в зависимости |
|
от их строения, фазового и элементного состава, ТехП процесса |
|
осаждения и технологических особенностей источника плазмы............. |
103 |
5.2.1. Трибологические и механические свойства |
|
двухкомпонентных TiN, ZrN слоев покрытий........................................ |
103 |
5.2.2. Коррозионные свойства двухкомпонентных TiN, ZrN слоев |
|
покрытий в зависимости от ТехП осаждения и технологических |
|
особенностей источника плазмы............................................................. |
105 |
5.2.3. Физико-механические, трибологические и адгезионные |
|
свойства TiN, ZrN слоев покрытий.......................................................... |
107 |
5.2.4. Общие закономерности зависимости функциональных |
|
свойств двухкомпонентных TiN и ZrN слоев покрытий |
|
от их строения, фазового и элементного состава, ТехП процесса |
|
осаждения и технологических особенностей источника плазмы......... |
110 |
|
5 |
6. Технологии получения многослойных покрытий на основе |
|
двухкомпонентных слоев с одновременным и попеременным |
|
использованием различных источников плазмы..................................... |
113 |
6.1. Оптимальные технологии подготовки поверхности подложки |
|
перед осаждением многослойной пленки .................................................. |
113 |
6.1.1. Оборудование и расходные материалы для получения |
|
многослойных покрытий......................................................................... |
113 |
6.1.2. Подготовка вакуумной установки к работе................................. |
115 |
6.1.3. Этапы предварительной подготовки поверхности ТИ и ПТ |
|
и тестовых образцов................................................................................. |
115 |
6.2. Технологический процесс получения высокоэкономичного |
|
многослойного двухкомпонентного Ti-•TiNп.с-TiNн.с•-TiNн.с покрытия..... |
124 |
Заключение...................................................................................................... |
129 |
Контрольные вопросы................................................................................... |
132 |
Список литературы........................................................................................ |
135 |
6
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ
АИИ – автономный источник ионов; ВСД – высокотемпературный синтез под давлением;
ДВДР – двухступенчатый вакуумно-дуговой разряд; ВДР – вакуумно-дуговой разряд; ВАХ – вольт-амперные характеристики;
ВЧ МР – высокочастотное магнетронное распыление; ИАС – износостойкие и антифрикционные свойства; ИБ – ионная бомбардировка; ИО – ионная очистка; КР – кристаллическая решетка;
КТР – комбинированный температурный режим; ЛНС – локальные несплошности поверхности; МКФ – микрокапельная фаза; МР – магнетронное распыление;
МРС – магнетронная распылительная система; ОН – остаточные напряжения; ОКР – область когерентного рассеивания; ПД – пластическое деформирование; ПС – поверхностная структура;
СВС – самораспространяющийся высокотемпературный синтез; МСЗ – модель структурных зон; СО – стержневые образования;
ТИ и ПТ – технологический инструмент и пары трения; ТехП – технологический параметр; ТемП – температурный параметр; ТДР – термодинамическое равновесие; Тотп – температура отпуска; ТР – тлеющий разряд;
ТЭН – технологическо-эксплуатационная наследственность; ХФТИ – Харьковский физико-технический институт; МГТУ – Магнитогорский государственный технический универ-
ситет им. Г.И. Носова; ЭДИ – электродуговое испарение;
ЭДИ+МР – комбинированный метод; ABSTM – Arc Bond Sputtering;
•Zr–ZrN• – повторяющиеся слои в многослойном покрытии;
7
с- – кубическая фаза (например, с-TiN);
еа, ес, еd – деформация кристаллической решетки, определяемая по изменению ее параметров и межплоскостного расстояния;
Е – модуль Юнга; Е* – приведенный модуль Юнга;
Еп – полная свободная энергия; Еп/а – полная энергия на один атом двойной/тройной фазы;
Нк – микротвердость композиции покрытие–подложка;
f – коэффициент трения;
h- – гексагональная фаза (например, h-Ti3Al2N2); Н/Е – стойкость к упругой деформации разрушения; H3/Е2 – стойкость к пластической деформации;
Iр – ток дугового разряда; Iд – ток дуги;
Iф.к – ток на фокусирующей катушке;
Iс.к – ток на стабилизирующей катушке;
I – интенсивность износа покрытия;
IпV – интенсивность износа покрытия по объему;
Кр – коэффициент распыления;
L – расстояние от катода/мишени до подложки; N – мощность магнетронного разряда;
N2 – содержание азота в газовой смеси;
PN2 – давление реакционного газа азота; Тc – температура слоя покрытия;
Тпл – температура плавления материала покрытия; Тпр – продолжительность процесса осаждения; Тнач.с – начальная температура слоя покрытия; TiNн.с – наноструктурированный TiN слой покрытия; TiNп.с – поликристаллический TiN слой покрытия;
– TiN слой покрытия, сформированного электродуговым
испарением;
TiNМР – TiN слой покрытия, сформированного магнетронным распылением;
TiNкомб – TiN слой покрытия, сформированного комбинированным методом – с одновременным и/или попеременным использованием различных источников плазмы;
8
Тохл.вод – температура воды, охлаждающей катод/мишень в процессе испарения/распыления;
Тподл – температура подложки; Тподсл – температура подслоя;
tИО – продолжительность ионной очистки; Р – давление газовой смеси;
SRC – рассчитываемая величина для оценки адгезии покрытия к подложке;
Vc-TiN – объемная доля кубической c-TiN фазы; Vнагр.подл – скорость нагрева подложки;
Vнагр.с – скорость нагрева слоя покрытия;
Uсм – напряжение смещения на подложке; Uвыс – высокое напряжение;
Wе – упругое восстановление;
∆s – ориентированные микронапряжения; ∆m – массовый износ;
σт – термическое напряжение – термическая составляющая остаточных напряжений;
σвн – внутренние напряжения; αс – коэффициент термического расширения (к.т.р.) слоя покры-
тия;
αподл – к.т.р. подложки; β – поверхностные микронапряжения КР, условно оцениваемые по
уширению дифракционного пика;
ZrN МР слой – ZrN слой покрытия, сформированного магнетронным распылением;
ZrN ЭДИ слой – ZrN слой покрытия, сформированного электродуговым испарением;
с.в.э. – стандартный водородный электрод; х.с.э. – хлорсеребряный электрод сравнения.
9
ВВЕДЕНИЕ
Опыт эксплуатации и результаты испытаний технологического инструмента и пар трения (ТИ и ПТ) показывают, что их преждевременный выход из строя, как правило, обусловлен невысокими износостойкими и антифрикционными (трибологическими), коррозионными
ифизико-механическими свойствами их материалов в зоне трения. В России в области получения, исследования и применения в горно-
инефтедобывающей, инструментальной, ремонтной, оборонной
промышленности, технологическом машиностроении, авиастроении и электронной технике тонкопленочных ионно-плазменных покрытий на основе нитридов элементов III и IV групп Периодической системы для упрочнения и защиты ТИ и ПТ постоянно ведутся работы в МГТУ «СТАНКИН»; НИТУ МИСиС, МГТУ им. Н.Э. Баумана; ОАО ЦНИТИ «Техномаш»; ОАО «НИИВТ им. С.А. Векшинского»; Самарском государственном аэрокосмическом университете им. академика С.П. Королева (национальном исследовательском университете); Ульяновском госуниверситете; Воронежском госуниверситете и др.; за рубежом – в Scientific-Industrial Enterprise «Metal» (США); Sci- entific-Technical Association «Termosynthesis» (США); ScientificEducational Center of SHS (США); Frederick Seitz Materials Research Laboratory and Department of Materials Science, University of Illinois (Urbana, Illinois), Research Institute for Technical Physics and Materials Science, Hungarian Academy of Sciences (Hungary); Linko¨ping University, Thin Film Division, Physics Department (Sweden); Műszaki Fizikai és anyagtudományi kutatóintézet (Hungary); National Tsing Hua University (Republic of China); Institute of Physics, Czechoslovak Academy of Science (Czechoslovakia); ХФТИ (Украина); Белорусском государственном университете (Минск). Получению, анализу свойств и применению покрытий посвящены работы С.Н. Григорьева, Е.А. Левашова, Ю.В. Панфилова, Д.В. Штанского, В.П. Табакова, В.А. Барвинка, В.И. Богдановича, В.В. Углова, В.А. Белоуса, А.Ф. Белянина, М.И. Самойловича,
В.П. Сергеева, P.H. Mayrhofer, L. Hultman и др.
Получение покрытий на поверхности ТИ и ПТ с заданной структурой и комплексом стабильных эксплуатационных свойств является сложной задачей. Проблема неоднородности нагрева подложки на операциях ее термической обработки и неконтролируемого перепада температур на стадиях формирования покрытий решается путем введения
10