Диссертация (1103281), страница 5
Текст из файла (страница 5)
В ходе исследования были установлены фазыCr-C-N, образующиеся при различном содержании метана и азота вреактивной атмосфере.На рис. 9 представлена зависимость фазового состава покрытий Cr-C-Nот относительного содержания азота и метана при их напылении и давлениягаза в камере.Авторами [27]используемогопритакже установлено, что в зависимости от типаполучениипокрытийуглеводорода,происходитизменение преобладающего типа структуры от орторомбической Cr 3 (CN) 2 кгексагональной Cr 7 C 3 . 28Рис.
9.Фазовый состав покрытий Cr-C-N в зависимости от давления газа вкамере и соотношения долей активных газов в активной атмосференапыления [27].Для этих покрытий были также получены зависимости скоростиосаждения, микротвердости и критической нагрузки отслаивания приинструментальном царапании в зависимости от типа углеродсодержащегогаза (рис. 10).Рис. 10.Скорость осаждения Cr-C-Nпокрытий, их микротвердость ивеличина критической нагрузки взависимости от типауглеродсодержащего газа [27]. 29Авторы [27] установили, что наилучшие результаты по этим параметрамдостигаются при использовании в процессе напыления алмазоподобныхпокрытий метана СН 4 . Покрытия, полученные с помощью другихуглеводородов имеют сопоставимые значения характеристик, однакоалмазоподобные покрытия, полученные с использованием метана, обладаютнаиболее высокой твердостью по сравнению с другими.Оценка покрытий на сопротивление абразивному износу проводилась наабразиметре Табера (тест на истирание вращающимся абразивным диском состандартными характеристиками) [27].
Было установлено, что наименьшемуизносу подверглось покрытие, нанесенное при соотношении N 2 :CH 4 = 4:1, вотличии от других покрытий, потерявших заметно большую массу (рис. 11).Однако стоит заметить, что тест Табера не дает отчетливой картины, вотличие от исследования на износ в воздушном потоке, увлекающем частицыабразива (песок или Al 2 O 3 ).Рис. 11.Результаты поабразивнойизносостойкости Cr-CN покрытий(тест Табера) [27].На рис. 12 представлены результаты зависимости степени износа отвремени обдува для Ti-N, Cr-N и Cr-C-N покрытий.
Видно, что наименьшуюстепень износа имеют хромовые покрытия, легированные углеродом иазотом. 30износа , %80Степень10040Материал абразива : Al 2 O 3 NK180Давление струи: 2 барУгол струи : 19 град.Расстояние до сопла : 60 ммДиаметр сопла: 6 ммTiNCrNCrCN60200020406080100120140160180Время обдува, секРис.
12.Абразивная износостойкость перспективных упрочняющих покрытий прииспытании в воздушном потоке, увлекающем частицы абразива [27].Перспективнымявляетсялегированиеалмазоподобныхпокрытийкарбидообразующими металлами и создание на этой основе «естественной»нанокомпозитнойкарбидов.структуры,Структураприсутствииупроченнойалмазоподобныхлегирующихэлементов,наноразмернымипокрытий,частицамиобразующихсясущественнозависитвоттермодинамики их взаимодействия с углеродом, скорости диффузионных иреакционных процессов и параметров ионной бомбардировки растущейповерхности, что показано на примере покрытий, легированных хромом, вработах [28-30]. Авторами было установлено, что в зависимости отиспользуемой технологии нанесения легированных покрытий их атомная имикроструктура сильно различается, что будет показано ниже. Важную рольв формировании контролируемой структуры покрытий аморфного углерода,легированных карбидообразующими металлами, могут играть процессыионнойбомбардировкирастущихпокрытий,структурной самоорганизации. 31ведущиекпроцессамЗаметим, что в отличие от других, часто используемых при синтезеa-C:H:Me карбидообразующих металлов (Me = Ti, Mo, W), в системе Cr-Cвозможно образование сразу нескольких карбидных фаз (Cr 3 C 2 , Cr 7 C 3 ,Cr 23 C 6 ) и метастабильной фазы (CrC).
На формирование этих фазсущественное влияние могут оказывать условия синтеза, поэтому на этотвопрос стоит обратить отдельное внимание.В связи с этим интерес представляют работы [28-29], в которыхисследовали структуру, физико-механические и трибологические свойствананокомпозитныхпокрытийCr-C/a-C:H,полученныхреактивныммагнетронным распылением в газовой смеси метана и аргона. Нанесениепокрытийпроводилипритемпературе423Кнаустановкесразбалансированным магнетроном при удельной мощности разряда от 2,5 до3,4 Вт/см2. Фрагменты соответствующих дифрактограмм приведены на рис.13.Из рис. 13 видно, что на всех дифрактограммах присутствует размытыйдиффузный пик, форма которого зависит от энергии ионов (E i.
). Так, если вобласти низких энергий (15 эВ<E i <32 эВ) диффузный пик имеет размытуюколоколообразную форму с максимумом на углах 2θ ~ 42÷43°, то в областивысоких E i – четко просматриваются два отдельных дифракционныхмаксимума при углах 2θ ~ 38 и ~ 44°.Ксожалению,авторам[28]неудалосьоднозначносвязатьвышеуказанные дифракционные максимумы с какой-либо из трех возможныхкарбидных фаз хрома: CrC, Cr 3 C 2 или Cr 7 C 3 . 32Рис.
13.Дифрактограммы покрытий Cr-C/a-C:H, нанесенных на кремниевуюподложку, при различных соотношениях давлений газов в активнойатмосфере pCH /( pCH pAr ) и энергиях ионной компоненты при магнетронном44распылении: а) 15 эВ<E i <32 эВ; b) 132 эВ<E i <176 эВ [28].По результатам работ [28-29] их авторами были сделаны следующиевыводы:−Присоотношенияхдавленийгазовприподачевзонураспыления pCH4 /( pCH4 pAr ) = 0,24 покрытия представляли собой смесьаморфных или имеющих нанокристаллические размеры областей соструктурой Cr и CrC x (скорее всего Cr 3 C 2 , т.к.
отношение Cr/C в них~1,23); следы гидрогенизированного a-C:H покрытия отсутствовали, асодержащиеся в покрытиях порядка 12 ат. % водорода не образует суглеродом химических связей; 33−При pCH /( pCH pAr ) > 0,24 покрытия имели нанокомпозитную структуру,44представляющую смесь наноразмерных частицCrC x и a-C:H (приpCH4 /( pCH4 pAr ) = 0,35 объемная доля a-C:H составляет ~22 %, при 0,42 –около 40 %, причем матрица a-C:H содержала ~8 ат.% хрома);−Вплоть до pCH /( pCH pAr ) = 0,42 в покрытиях преобладали частицы44карбидной фазы; количество a-C:H достигало значительных величинытолько при pCH /( pCH pAr ) ≥ 0,42;4−4При pCH /( pCH pAr ) = 0,35 фаза CrC x представляла собой либо Cr 3 C 2 ,44либо Cr 7 C 3 , а по данным электронной микроскопии, скорее всего,области с ближним порядком по типу Cr 3 C 2 и отсутствующим дальнимпорядком в расположении атомов;−В области 0,42 < pCH /( pCH pAr ) < 0,5 наблюдали нанокристаллическую44метастабильную фазу с ГЦК структурой (δ-CrC x ), размеры областейкогерентного рассеяния (ОКР) которой составлял от 3,0 до 3,4 нм.Авторы отмечали, что максимальная твердость покрытий наблюдаласьими при pCH /( pCH pAr ) = 0,29, когда в структуре покрытий присутствовали44нанокристаллические частицы CrC x , отделенные друг от друга тонкими (~0,2нм) прослойками a-C:H.
С ростом pCH /( pCH pAr ) твердость снижалась при44содержании a-C:H в покрыти, достигающем 57 об.%.Исследования коэффициента сухого трения, проведенного в [28-29],показало, чтос ростом pCH /( pCH pAr ) происходило его уменьшение с44величины 0,45 (при pCH /( pCH pAr ) = 0,24) до 0,12 (при pCH /( pCH pAr ) = 0,5).4444Причем, наиболее резкое снижение коэффициента трения происходило присодержаниях a-C:H в покрытиях, больших 40 об .% (при pCH /( pCH pAr ) ≥440,42).Такимобразом,былоустановлено,чтопутемлегированияалмазоподобных покрытий, при котором в покрытиях может наблюдаться 34образование включений карбидов легирующих добавок, и изменения условийнапыления можно добиться повышения их трибологических характеристик.В настоящее время активно ведутся исследования по улучшениюсвойств алмазоподобных покрытий [30-39].
Так в [30-31] было показано, чтоантифрикционные свойства покрытий в вакууме могут быть улучшенылегированием их кремнием и фтором, а легирование покрытий металламипозволяет уменьшить трение и износ в условиях не только тренияскольжения, но и при фреттинге (механическом износе при малыхколебаниях узлов трения относительно друг друга) в широком диапазонеусловий испытаний.Интерес к углеводородным алмазоподобным покрытиям а-Me–C:Hстимулирует также тот факт, что данные ряда проведенных исследованийуказывают на возможность повысить ресурс деталей узлов трения,работающих в условиях контактной усталости [32-33].Введение в покрытие металлических (Ti, Cr, Mo, W, Fe, Co, Ni, Al, Cu,Au, Ag, Nb, Ta) или неметаллических (Si, F, B, P, N) элементов позволяетснизить высокие внутренние напряжения и повысить антифрикционныесвойства в средах с повышенным содержанием водных паров (Таблица I.3)[34].Таблица I.3Триботехнические свойства легированных АПП [34]АПП, легированныеТип покрытия НелегированноеАППTiсоставнойкатоднезависимыеисточникиMoWCuf тр0,3÷0,350,30,3÷040,260,350,3÷0,4Интенсивностьизнашивания,10-6 мм3/Н·м1,380,130,770,761,031,4335Так, трибологические испытания на воздухе покрытий a-C:H:Si,легированных кремнием, показали, что его присутствие приводит кснижению влияния относительной влажности окружающей среды назначение коэффициента трения [35-36].
Причем было установлено, чтозначения коэффициента трения и износостойкость таких алмазоподобныхпокрытий существенно зависят от содержания кремния в покрытиях.Наблюдавшиеся значения коэффициента трения лежали в интервале0,015÷0,03. Стоит отметить, что более высокие значения f тр наблюдали впокрытиях, где концентрация кремния была высокой.При испытаниях в воде покрытий с отношением CH 4 /Ar ≈1,5÷2,0авторам [35] удалось получить значение f тр ниже 0,01. При этом в отличие оттрения на воздухе, характер изменения коэффициента трения в процессеиспытаний был более монотонным, без резких скачков в процессеприработки контактирующих тел друг к другу, что объяснялось быстрымудалением продуктов износа с дорожки трения при проведении испытаний вводе.
В целом, интенсивность изнашивания в воде была на порядок ниже,чем на воздухе. Другой отличительной особенностью в этом случае былоотсутствие переходных слоев, образовавшихся на изношенной контактнойповерхности шарика, использованного в качестве контртела. Низкийкоэффициент трения в воде и характер износа авторы объяснили совместнымдействием эффектов граничной и гидродинамической смазки [36].В [37] были рассмотрены покрытия, полученные путем магнетронногораспыления графитовых мишеней в атмосфере, представлявшей смесьуглеводородсодержащих газов (метана и ацетилена) и азота.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
