Диссертация (Исследование структурно-фазовых состояний и физических свойств алмазоподобных покрытий, легированных металлами VI группы), страница 16

Результаты исследований трибологических характеристикалмазоподобных покрытийТрибологические испытания покрытий были выполнены на шариковомтрибометре с геометрией контакта «диск–сфера» по методике и в условиях,описанных в главе II.Проведенныеиспытанияпоказали,чтотрибограммыпокрытий,легированных хромом, отличаются от трибограмм остальных покрытийболее низкой величиной коэффициента трения и увеличенным числомциклов до разрушения (покрытия a-C:H:Cr:N), т.е. сохраняют своюработоспособность в течение всего времени испытания).Обработанные результатытрибологическихиспытаний покрытий,легированных хромом, а также стальных подложек (для сравнения),приведены на рис. 58.Видно, что для покрытия, нанесенного в атмосфере чистого ацетилена(образец № 1), коэффициент трения оказался близок к значениям,полученнымдлянанокомпозитныхпокрытий,содержащихнаноструктурированный карбид Cr 3 C 2 , но при этом изменение величиныкоэффициента трения f с увеличением нагрузки носит немонотонныйхарактер.Сувеличениемдолиазотавактивнойатмосферевеличинакоэффициента трения имеет тенденцию к понижению.

При этом дляпокрытия, нанесенного в газовой смеси состава 20 об.% C 2 H 2 + 80 об.% N 2 , 119коэффициент трения остается практически неизменным (около 0.08) во всемдиапазоне нагрузок. Небольшое увеличение величины f до 0.12 при P = 0.2 Нсвязано, скорее всего, с начинающимся процессом разрушения покрытия.Рис. 58.Зависимость величины коэффициента трения f (а) и числа циклов N домомента ее резкого скачка (б) от приложенных нагрузок для покрытий aC:H:Cr, полученных в атмосферах с различным соотношением объемов C 2H 2 /N 2 : 1 — 100/0; 2 — 80/20; 3 — 60/40; 4 — 40/60; 5 — 20/80 об.

% и длямарок сталей: 6 —сталь марки ХН35ВТ; 7 — сталь марки ШХ15.Результатыоценкиработоспособностипокрытийa-C:H:Cr:Nприведены на рис. 58, б. Для сравнения на этом рисунке также показаныданные для материала подложки (сталь ХН35ВТ) и инструментальной стали(ШХ15). 120Видно,чтонанесениепокрытийприводиткзначительномуповышению работоспособности образцов по сравнению с образцами сталибез покрытий. Единственным исключением являлось покрытие, полученное ватмосфере с 20 об.% C 2 H 2 . Для него при высокой контактной нагрузке (~500МПа) наблюдалось снижение числа циклов N до уровня, сопоставимого сдолговечностью образцов стали ХН35ВТ. В качестве возможного объясненияможно предположить, что это связано с образованием островков снаноалмазной структурой в покрытии, которые при больших нагрузках могутвыходить на поверхность (за счет износа) и повреждать ее.Следуетотметить,чтовходеиспытаниймаксимальнуюработоспособность показали покрытия, наносимые при доле ацетилена вактивной атмосфере синтеза АПП в 100 и 60 об.%.

Их долговечность притрении в условиях тяжелонагруженного несмазанного контакта примерновдвое выше показателей для стали марки ШХ15.Минимальным для исследуемых хромовых покрытий коэффициентомтрения обладает покрытие, синтезированное в атмосфере с соотношениемсодержаний C 2 H 2 /N 2 , равным 80/20, причем его долговечность такжедостаточно высока, хотя и ниже по сравнению с остальными покрытиямиэтой группы.Трибограммы ряда изучавшихся покрытий, полученных в даннойработе для смеси ацетилен–воздух (образцы №№ 6-8) приводятся на рис.

59–61.Анализ показал, что, как наиболее работоспособным проявило себяпокрытие № 6, нанесенное в атмосфере, содержащей 20 об.% ацетилена и 80об. % воздуха. Далее, по мере увеличения объемного содержания в активнойсмеси воздуха и роста приложенной нагрузки, работоспособность покрытийрезко снижалась, начиная с Р = 0,1 Н (рис. 60-61). 1210,02 H0,05 H0,10 H0,15 H0,20 H6000 циклов3000 цикловНачалоиспытанияРис. 59 .Трибограммы, полученные для образца покрытия № 6, в зависимости отприложенной нагрузки. 1220,02 Н0,05 Н0,10 Н0,15 Н0,20 Н6000 циклов3000 цикловНачалоиспытанияРис.

60.Трибограммы, полученные для образца покрытия № 7, в зависимости отприложенной нагрузки. 1230,02 Н0,05 Н0,10 Н0,15 Н0,20 Н6000 циклов3000 цикловНачалоиспытанияРис. 61.Трибограммы, полученные для образца покрытия № 8, в зависимости отприложенной нагрузки. 124На рис. 62 представлены итоговые результаты трибологическихиспытаний для покрытий, легированных различными металлами VI A группы.0.9f0.60.30.020.050.10P,0.150.200123H4(а)6000N400020000.020.050.10P,0.150.200123H4(б)Рис. 62.Зависимость коэффициента трения f (а) и числа циклов до началаразрушения покрытия N от нагрузки (б) для некоторых изисследованных образцов: 1 – a-C:H:Cr в 100 % С 2 Н 2 , 2 – a-C:H:Cr всмеси 20 ат.% С 2 Н 2 +80 ат.% N 2 , 3 – a-C:H:Mо:Si; 4 – a-C:H:W настали ХН35ВТ. 125Из рис.

62 видно, что наиболее высокими характеристиками изисследованных обладали покрытия, легированные хромом. Для нихкоэффициент трения f не превышал величин f = 0,2÷0,35, а дополнительноелегирование азотом позволило снизить его до значения f = 0,1 и ниже. Приэтом работоспособность покрытий, характеризуемая числом циклов доразрушения N, была наиболее высокой у покрытий, полученных в чистомацетилене. Легирование же азотом, приводящее к уменьшению величины f,влекло за собой уменьшение числа циклов до разрушения (N) при высокойконтактной нагрузке.Результаты трибологических испытаний образцов покрытий №№ 6-8,нанесенных в атмосфере, содержавшей кислород, показаны на рис. 63.f0,6N60000,440000,20,020,05060,10,150,2720000,020,050P, Н8(а)60,10,1570,2P, Н8(б)Рис.

63.Зависимость трибологических свойств покрытий a-C:H:Cr на подложках изстали ХН35ВТ от нагрузки: (а) коэффициент трения f и (б) числа циклов Nдо момента начала процесса разрушения покрытий (цифры обозначаютномера образцов в табл. II.2: 6 – 80; 7 – 85 и 8 – 90 об. % воздуха в активнойсмеси). 126Эти покрытия также отличаются достаточно низкой величинойкоэффициента трения, f ~ 0,2–0,3 (рис.

63,а). Однако для этих образцоврезкое увеличение коэффициента трения происходило еще до окончаниясерии испытаний, поскольку в этом случае, в отличие от покрытий,полученных в атмосфере ацетилен-азот, дорожки трения могли бытьзафиксированы визуально (кроме образца, полученного в атмосфере,содержавшей 80 % об. воздуха), можно, по-видимому, было говорить оначале процессов «разрушения».Число циклов до разрушения в этом случае представлено на рис. 63,б.Таким образом, проведенные исследования позволили определитьграницы применимости покрытий, полученных в среде ацетилена с воздухом.Самым долговечным, с самым низким и стабильным коэффициентом тренияоказалось покрытиеработоспособности№ 6 (ацетилен – 80 об. % воздуха), границыкотороголежатвышеисследуемогодиапазонаконтактных давлений (нагрузок) и принятой для эксперимента базыиспытаний.Покрытия №№ 7 и 8 (нанесенные в атмосферах, содержавших 85 и 90об.

% воздуха соответственно) имеют коэффициент трения близкий,наблюдаемому у покрытия № 6, однако их долговечность при нагрузкахвыше 0,10 и 0,05 Н, соответственно, существенно ниже, и эти покрытия неимеют перспектив в плане их использования в узлах трения. 127Обсуждение полученных результатовВ целом, сопоставляя полученные данные триботехнических испытанийлегированныххромомалмазоподобныхпокрытийсрезультатамипроведенных нами структурных исследований, можно сделать вывод, что вслучае покрытий, синтезированных в смесях ацетилен-азот, нанокомпозитнаяструктура на основе наноразмерных включений хрома, его карбидов инитридовваморфнойуглероднойматрицеможетспособствоватьповышению трибологических характеристик покрытий.Наблюдаются также особенности зависимости величины интегральнойинтенсивности линии (110) хрома от химического состава покрытий,указывающие на то, что процесс образования нитридных фаз в покрытиях,содержащих наноразмерные области хрома и его карбидов, может бытьсвязан с конкуренцией карбидных и нитридных фаз хрома, образующихсяпри магнетронном синтезе покрытий.Взаимосвязь структуры и трибологических свойств покрытий, приполучении которых используется воздух, не является столь очевидной.Проведенное исследование показало, что наблюдаемое в этом случаедополнительноелегированиеатомамикислородаприбольшойегоконцентрации может оказывать негативный эффект на прочностные ипротивоизносные характеристики.

Поскольку структура, образующая присинтезе покрытий в этом случае, представляет собой смесь CrN инестехиометрического оксида хрома Cr 2 O 2,4 , не являющегося высокопрочнойфазой, трибологические свойства такой композиции могут быть существеннониже, чем для сочетания CrN + Cr 2 O 3 .Наблюдаемое снижение трибологических свойств при синтезе покрытийв смесях, содержащих значительное количество воздуха, показывает, что егоможно связать также со значительным уменьшением количества аморфнойуглеводородной фазы или даже ее полным исчезновением. 128Таким образом, высокая работоспособность покрытий, легированныххромом, может быть связана как с особенностями фазового составананокомпозитной их структуры, так и с наличием или отсутствием в нихвключений аморфного гидрогенизированного углерода.Алмазоподобные углеродные покрытия, легированные вольфрамом иполученные распылением составной мишени, имели коэффициент тренияf ~ 0,2÷0,4 во всем интервале нагрузок, что было сопоставимо с величинойкоэффициента трения для образца a-C:H:Cr, полученного в чистом ацетилене,однако их работоспособность была несколько ниже, чем у последнего.Как показывают полученные результаты, покрытие a-C:H:Mо:Si имеетвысокий коэффициент трения и самую низкую фрикционно-усталостнуюдолговечность из всех исследованных в данной работе покрытий.

Подобноеснижение свойств, на наш взгляд, можно связать, во-первых, с наличием вструктуре покрытия фаз силицидов молибдена, а, во-вторых, с интенсивнымобразованием при трении на воздухе имеющих низкие прочностные свойствагидроокислов кремния, что снижает объемную прочность покрытий.Достаточно высоких трибологических параметров у этих АПП можно, по видимому, добиться, лишь используя облегченные условия трения.Взаключенииполученияследуетлегированныхотметить,чтохромомнанокомпозитныхмагнетроннаятехнологияпокрытий,использующая в качестве активной атмосферы углеводороды в газообразномсостоянии и смеси на их основе, в частности, смесь ацетилен-азот,представляет значительный интерес с точки зрения её практическогоиспользования в узлах трения. 129ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫВ работе на примере вакуумных ионно-плазменных алмазоподобныхуглеродных покрытий, содержащих добавки элементов VI группы (хрома,молибдена и вольфрама) изучено влияние природы легирующего металла иособенностей используемой технологии нанесения покрытий на их атомнокристаллическую структуру, фазовый состав и физические свойства.По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы.1.