Диссертация (1103281), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

5). Наиболее отчетливо дифракционные пики, принадлежащиекарбиду тантала, наблюдали в покрытии, которое содержало 45 ат.%, а приконцентрации тантала в 6,6 ат.% они практически не выявлялись.Аналогичныерезультатыбылиполученыдлядругихкарбидообразующих металлов, таких как Ti, V, W, Mo, Nb, тогда каквведение в матрицу алмазоподобных покрытий не образующих карбиды Au иAg приводило к образованию металлических кластеров, распределенных вматрице покрытия [15]. Авторы также сообщили, что размеры карбидных 20кластеров достигали значений от единиц до нескольких десятков нм взависимости от типа металла и его концентрации.Рис.5.Дифрактограммы Ta-DLC покрытий с различным содержанием тантала[15] .Действительно, в [16] Бенндорфом с соавторами были проведенырентгендифракционныеисследованияпленокNb-DLC.Изуширениядифракционный линий авторы установили, что с увеличением концентрацииатомов Nb от 20 до 40 ат.

% происходило увеличение размеровкарбидообразующих кластеров от 2 до 4 нм.Результатыэкспериментовпопросвечивающейэлектронноймикроскопии (ПЭМ), приведенные Менгом и Гиллиспи в работе [17] дляW-DLC(рис.6(а))идляTi-DLC(рис.6(б)),показали,чтонанокристаллические включения достаточно равномерно распределены вматрице алмазоподобных покрытий. 21Рис. 6.Результаты просвечивающей электронной микроскопии для покрытй(а) W-DLC с 9.7 ат.% W и (b) Ti-DLC с 2.5 ат.% Ti [17].Наосновеэтихданныхможнозаключить,чтоструктураалмазоподобных покрытий, легированных металлами, существенно зависиткак от типа используемого металла, так и от его концентрации в покрытии.§ I.2.

Основные методы получения алмазоподобных покрытийВ настоящее время существует ряд методов получения и осажденияуглеродныхиалмазоподобныхпленок,перечисленныхиподробноописанных, например, в обзоре [18]. Было установлено, что одним изнаиболее эффективных является метод осаждения пленок из газовой фазыпри пониженном давлении способом химического осаждения.

Наиболееперспективнымидляпрактическогоиспользованияявляетсяметодхимического осаждения с использованием плазменной струи, генерируемойплазмотроном. Применение плазмотрона с межэлектродными вставкамипозволяет достигать заданной мощности при умеренных токах, и благодаряэтому варьировать характеристики струи в широких пределах.Остановимся более подробно на описании некоторых, наиболее частоиспользуемых методов создания алмазоподобных покрытий. 22а) Физическое газофазное осаждение покрытий (physical vapor deposition,PVD)Физическоегазофазноеосаждениеобъединяетгруппуметодовнанесения покрытий в вакууме, в которых они формируются путемконденсации пара испаренного или распыленного материала мишени. PVDметоды основаны на физическом эффекте испарения или распылениявещества в вакуумное пространство камеры с последующей подачейреакционного газа (N 2 , O 2 , CN 4 и др.) в нее. В результате плазмохимическойреакции ионизированного потока металлической плазмы и реакционногогаза на поверхности подложки происходит конденсация покрытия.Среди методов наибольшее распространение получили: вакуумнодуговаяконденсациявеществаизплазменнойфазысионнойбомбардировкой (метод КИБ), магнетронное распыление и ионноеплакирование (нанесение слоя термомеханическим способом).Высокая скорость осаждения и широкое разнообразие составовнаносимого материала сочетаются в методике PVD с относительно простойконструкцией и легкостью в применении магнетронных систем, что иобуславливает широкое распространение этих методов при получениипокрытий [19].Магнетрон представляет собой устройство с распыляемым катодом, вкотором используется разряд в скрещенных электрическом и магнитномполях.

Схема магнетрона приведена на рис. 7.Рис. 7.Схема магнетрона:1 – катод, 2 – анод, 3 –магнитная система, 4 – плазма,5 – подложка [20]. 23В качестве источника атомов углерода при получении алмазоподобныхпокрытий используются, как правило, графитовые катоды. Комбинацияэлектромагнитныхполейпозволяетудерживатьэлектроны,образуяэлектростатические ловушки, за счет чего достигается замкнутостьтраекторий их движения, благодаря чему увеличивается плотность плазмы внепрерывном режиме работы системы с плоскопараллельными электродами[21-22].

Это позволяет достигать высоких скоростей распыления покрытий(десятки мкм/ч) при достаточно низких давлениях рабочего газа (~ 0,1 Па).Скорость распыления в магнетронной системе в 50100 раз больше посравнению с диодным распылением или распылением ионного пучком из-заболее высоких плотностей ионного тока, достигаемых за счет локализацииплазмы у поверхности мишени с помощью сильного магнитного поля.В [21-22] было установлено, что покрытия на подложках избыстрорежущей стали, полученные вышеуказанным способом, имелиповышенную стойкость по сравнению со сталью без покрытия.

Однако приобработке титановых сплавов и жаропрочных сплавов на основе никеляэффективность от применения инструментов с покрытием уменьшалась, чтобыло отмечено авторами без установления причины.Заметим, что широкие возможности варьирования температуры(201000°С) в зонах нанесения покрытий позволяет использовать PVDметоды в качестве универсальных для нанесения их, например, на режущийинструмент. Они эффективны также и с точки зрения возможностинанесения различных монослойных, многослойных и композиционныхпокрытий.b) Химическое газофазное осаждение покрытий (Chemical vapourdeposition, CVD)Процесс химического газофазного осаждения, как это вытекает из егоназвания, включаетвсебяхимическую24реакциювгазовойфазе,происходящую над поверхностью твердой подложки, в результате которойпроисходит осаждение на нее конечного продукта реакции.Все CVD-методы создания алмазоподобных пленок требуют примененияплазменно-ассистированнойактивацииуглеродсодержащихмолекулисходного продукта реакции.

В число этих методов входят либо термический(например, с горячей проволочной нитью), либо плазменный метод (плазматлеющего разряда, высокочастотная плазма, СВЧ-плазма), либо применениеплазменного горения (оксиацетилен, плазменные горелки).На рис. 8 показаны два наиболее части используемых экспериментальныхметода синтеза алмазных и алмазоподобных пленок.Рис.8.Примеры наиболее распространенных типов CVD-реакторов низкогодавления [23].При нанесении алмазоподобных покрытий, как правило, температураподложки поддерживается в диапазоне (1000÷1400)K. Получающиеся врезультате пленки являются поликристаллическими с чувствительной кконкретным условиям роста морфологией.

Скорости роста для различныхпроцессов осаждения могут значительно варьироваться, причем болеевысокие скорости роста могут быть достигнуты только за счет потери«качества» пленки. Под «качеством» обычно понимается некоторая мера, 25связанная с отношением sp3/sp2-связанного углерода в образце, составобразца (например, содержанием связей C-C по отношению к количеству CH-связей) и его кристалличностью. Методы осаждения алмазных иалмазоподобных покрытий путем сжигания углеводородов характеризуютсявысокими скоростями роста пленки (обычно 100–1000 мкм/ч), но покрытиепри этом зачастую растет только в очень малых локальных областях и приплохом контроле процесса осаждения, что приводит к получениюнизкокачественных пленок.§ I.3.

Трибологические и механические свойства алмазоподобныхпокрытийВозможное трибологическое (от греч. τριβοσ – «трение» и λογοσ –«наука») использование алмазоподобных покрытий в связано с сочетаниемнизких фрикционных (коэффициент трения) и высоких противоизносныххарактеристик.Анализтрибологическогоповеденияалмазоподобныхпокрытий показал [3], что во многих случаях оно определяется структуройслоя («третьего тела»), формирующегося в зоне контакта при трении.Образованиепревращениемэтого«промежуточного»приповерхностногослояслояможетбытьалмазоподобныхсвязаноспокрытийвматериал с низким сопротивлением сдвигу [24] и может вызыватьсясильными структурными искажениями и локальным разогревом в зонетрения.Величины коэффициента трения для алмазоподобных покрытий,согласно данным [25], составляют: f тр = 0,007÷0,4 при испытаниях в вакуумевыше 0,1 мПа, и f тр = 0,05÷1,0 при испытаниях на воздухе при относительнойвлажности от 20 до 60%.

Значительная вариабельность связана сизменениями структуры и состава пленок. Образование описанного вышепереходного слоя в присутствии водорода должно оказывать смазочноедействие, но может блокироваться наличием воды и кислорода в зоне 26контакта. Было показано, что пороговой для получения ультранизкого тренияв условиях сверхвысокого вакуума является концентрация водорода впокрытиях порядка 40 ат. %.В структурах ta-С при трении на воздухе при относительной влажности50% были получены значения f тр ≈ 0,08, а также типичные характеристикиизнашивания на уровне 10-7 мм3/Н·м.

Было показано, что последнюювеличину можно в дальнейшем понизить до значений 3·10-8 мм3/Н·м, еслииспользовать покрытия на основе ta-С с модулированной слоистойструктурой [25].Основные механические свойства типичных алмазоподобных покрытийприведены в таблице I.2, взятой из работы [26].Таблица I.2Механические свойства алмазоподобных покрытий в зависимостиот их структуры [26]МикротвердостьМодуль Юнга(Н), ГПа(Е), ГПаa-С12-18160-1900,08-0,1ta-С7-3060-2100,1-0,16a-С:Н28-65210-6500,1-0,2ta-С:Н28-60175-2900,16-0,21Тип АППОтношение Н/ЕИз таблицы видно, что важнейшую роль в формировании механическихсвойств играет тип структуры покрытия.В целом, алмазоподобные покрытия имеют более высокие прочностныесвойства, чем традиционные конструкционные материалы, например,различные стали. При этом увеличение доли компонента, обладающего sp3гибридизацией, ведет к существенному улучшению механических свойствпокрытий.Другой бросающейся в глаза особенностью алмазоподобных покрытийявляется величина отношения микротвердости к модулю Юнга (Н/Е), 27лежащая в интервале от 0,08 до 0,2, что превышает соответствующиемаксимальные значения для сталей (~0,04) и традиционных керамическихматериалов типа оксида алюминия, оксида циркония, нитрида или карбидакремния (~0,06).

Высокие значения величины Н/Е~ 0,08 характерны лишьдля некоторых нитридных покрытий титана и хрома. Подобная повышеннаявеличина Н/Е свидетельствует о высокой деформационной стойкостиматериала алмазоподобных покрытий.К сожалению, алмазоподобные покрытия всех рассмотренных вышетипов, как безводородные, так и водородосодержащие, помимо высокихмеханических и трибологических свойств обладают рядом недостатков,сдерживающих их широкое практическое использование. К основнымнедостаткам относятся: низкая адгезия к подложке, высокий уровеньсжимающих остаточных напряжений и высокая вероятность деградацииалмазоподобной структуры и функциональных свойств при длительномхранении.В [27] были изучены характеристики Cr-C-N покрытия, полученные спомощью физического осаждения в вакууме (PVD) различных углеводородов(метан, этан, этилен, ацетилен).

Характеристики

Список файлов диссертации