Разделы сайта

Читаемое

Обновления Nov-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 [ 80 ] 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

алмазных пленок, их практическое применение в качестве защитных покрытий на режущем и обрабатывающем инструменте сдерживается тем, что углерод легко растворяется в сплавах железа и ряде других материалов. Замечательный комплекс свойств кубического нитрида бора (C-BN является вторым по твердости после алмаза, имеет высокую теплопроводность и большую ширину запрещенной зоны, обладает способностью образовывать п- и р-типы полупроводников при его растворении в Be и Si, не растворяется в большинстве металлов и стоек к окислению на воздухе при температурах свыше 1000 °С) делает его одним из наиболее привлекательных материалов для трибологических, оптических и электротехнических применений в качестве тонких пленок. Однако росту с-BN практически всегда предшествует образование 5р2-связанного BN. Для ТОГО чтобы подавить образование /.вязанного BN, используют интенсивную ионную бомбардировку, которая приводит к образованию высоких сжимающих напряжений и, как следствие, плохой адгезии. В настоящее время существует несколько моделей роста c-BN, ни одна из которьгх не может объяснить все имеющиеся экспериментальные результаты [3]. Детальное исследование кристаллографических аспектов роста пленок C-BN показало, что образование промежуточного слоя 5р2-связанно-го BN создает благоприятные граничные условия для гетероэпитаксиаль-ного зарождения c-BN, а рост кубической фазы осуществляется гомо-эпитаксиально [4]. Выявлены кристаллографические закономерности двойникования внутри турбостратного слоя и c-BN. Показано, что атомная структура границ раздела в c-BN зависит от ориентационного соотношения между смежными кристаллитами и наклона границы раздела.

Широкое использование различных твердых покрытий возможно лишь при выполнении высоких требований к их физическим, химическим и механическим свойствам. Недавно бьши синтезированы и изучены новые трехкомпонентные составы покрытий, например, Ti-B-N, Ti-Al-N, Ti-Al-B, Ti-Si-N, Ti-Si-B, a также четырехкомпонентные тонкопленочные композиции Ti-B-C-N, Ti-Al-B-N, Ti-Al-Si-N и др. Получены ультратвердые (70 ГПа), высоко износо- и коррозионностойкие тонкопленочные системы [5]. Высокие эксплуатационные характеристики этих покрытий обусловлены комбинацией нескольких факторов, таких как малый размер кристаллитов, большая объемная доля границ раздела, наличие микро- и макронапряжений, изменение взаимной растворимости неметаллических элементов в фазах внедрения, образование многофазных кристаллических состояний и межзеренных аморфных прослоек. В большинстве работ для получения многокомпонентных покрытий ис-

пользовались однофазные мишени на основе металлов (Ti, Si), интерметаллидов (TiAl), нитридов (TiN, BN), силицидов (TijSij, TiSij, TijSi) или боридов (TiB, TiBj), причем сложный химический состав покрытия достигался либо за счет использования реактивной среды, либо путем одновременного распьшения двух или нескольких мишеней (например, TiAl и TiBj). Тонкие пленки могут наноситься различными методами физического осаждения, в частности, магнетронным распылением. Этот метод интенсивно развивался путем применения разбалансированных и ионизирующих систем. В последние годы возможности технологии вакуумного напьшения существенно расширились за счет применения нового класса композитных мишеней, получаемых методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Технология СВС-компактирования дает возможность производства широкого спектра всевозможных мишеней на основе керамики, металлокерамики и интерметаллидов. Кроме того, СВС-технология позволяет получать принципиально новые материалы для мишеней, такие, как нестехиометрические карбиды, функционально-градиентные и многофазные материалы. Использование СВС-катодов существенно расширяет возможности метода физического осаждения, в первую очередь, с точки зрения химического и фазового состава покрытий. Принципиальное отличие распьшения композиционных мишеней от металлических состоит в том, что в первом случае перенос вещества осуществляется смешанным потоком металлических и неметаллических атомов и ионов. Кроме того, распьше-ние композитной мишени является более сложным процессом из-за эффекта преимущественного распыления и возможности образования тонкого слоя нового соединения на поверхности мишени.

Интерпретация свойств многокомпонентных пленок является достаточно сложной задачей, так как много разнообразных факторов влияет на их характеристики. Поэтому для понимания свойств тонких пленок необходим детальный анализ их структуры, химического и фазового состава. Недавно Вепреком была предложена новая концепция конструирования сверхтвердых наноструктурных пленок [6]. Бьшо показано, что эти материалы являются нанокомпозитами, состоящими либо из нанокристаллитов, внедренных в аморфную матрицу, либо из смеси двух нанокристаллических фаз. Считается, что такая микроструктура может предотвратить зернограничное проскальзывание и снижение твердости материала. Многокомпонентные пленки обычно содержат очень маленькие зерна, размером менее 20 нм. Легирование и наличие примесей тормозит рост кристаллитов и стимулирует зарождение новых зерен.



Когда состав покрытия становится более сложным, размер кристаллитов может уменьшаться до нескольких нанометров. Расширяется и взаимная растворимость элементов в фазах внедрения. В частности, показано, что фазы TiN, TiB и TiBj в многокомпонентных пленках на основе Ti-B-N могут растворять дополнительное количество соответственно бора и азота, а фаза TiN в пленках Ti-Ni-N может растворять некоторое количество никеля [2, 7].

Структура низкоразмерных объектов не может быть определена только на основе метода рентгеновской дифракции. Известно, что наноструктурные многокомпонентные пленки имеют очень широкие дифракционные максимумы низкой интенсивности, что обычно объясняется аморфным состоянием вещества, хотя кристаллическая природа наноструктурных пленок может быть подтверждена другими методами. Поэтому для характеристики низкоразмерных объектов рекомендуется использование комбинированного подхода с применением различных методов, таких как рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, Рамановская спектроскопия, расширенные измерения поглощения рентгеновских лучей тонкой структурой (EXAFS), электронная микроскопия высокого разрешения и спектроскопия энергетических потерь электронов.

Для понимания свойств наноструктурных пленок необходимо также знание атомной структуры границ зерен. Эта тема была предметом интенсивной дискуссии на протяжении последних лет. Интерес к этой проблеме дополнительно возрастает еще и потому, что значительное количество атомов в нанокристаллических материалах расположено на границах зерен. Отсюда возникает гипотеза о возможности существования нового состояния вещества. Согласно расчетам Глейтера с сотрудниками, выполненным с помощью методов молекулярной термодинамики, микроструктура нанокристаллических материалов состоит из кристаллических зерен и аморфных межзеренных прослоек однородной толщины. Отсюда авторы пришли к заключению, что нанокристаллические материалы со случайной ориентировкой зерен содержат только высокоэнергетические границы раздела. В противоположность этому утверждению, другие исследователи установили, что границы раздела не являются неупорядоченными. Интересно также отметить, что теоретическая концепция конструирования нанокристаллических сверхтвердых материалов основана на предположении, что тонкие аморфные прослойки вокруг нанокристаллитов препятствуют образованию и размножению дислокаций [6]. Поэтому часто авторы приходят к умозрительному заключению, что нанокристаллиты полностью окружены тонкими аморф-

ными прослойками. В противоположность этим результатам бьшо показано, что границы раздела в многокомпонентных пленках имеют как упорядоченные, так и неупорядоченные участки, а аморфная фаза образуется преимущественно в виде отдельных областей, а не в виде тонких прослоек однородной толщины по границам зерен [2, 8].

Разработка технологии нанесения сверхтвердых наноструктурных покрытий методами физического осаждения невозможна без понимания причин их высоких эксплуатационных характеристик. Обычно при изучении тонких пленок определяют следующие физико-механические характеристики: твердость, износо- и коррозионную стойкость, адгезию, жаростойкость, стойкость к высокотемпературному окислению, остаточные напряжения, упругие свойства (модуль Юнга и величину упругого восстановления), вязкость, проводимость, морфологию поверхности, а также срок службы инструмента с нанесенным на него защитным покрытием.

Трибологические покрытия

Оценка и интерпретация трибологических свойств тонких пленок является довольно сложной задачей. Наиболее часто проводится оценка сопротивления материала царапанью, абразивному износу, эрозионному изнашиванию, трению скольжения, износу при роликовом контакте и также ударному износу. Бьшо показано, что трибологические характеристики материала во многом зависят от типа износа. Имеющиеся в литературе данные являются довольно противоречивыми и не всегда соответствуют поведению материала при его использовании в промышленности. В классической теории износа твердость материала рассматривается как один из основных параметров, определяющих износостойкость. Многие твердые материалы также имеют высокий модуль упругости; тем не менее известно, что ряд полимеров обладает высокой износостойкостью, несмотря на низкий модуль упругости. В качестве параметра, дающего возможность оценить износостойкость материала, бьшо предложено использовать величину отношения твердости к модулю упругости (Н/Е), называемую индексом пластичности материала или упругой деформацией разрушения. Другим важным критерием является стойкость материала к пластической деформации, описываемая параметром Н/Е. Наконец, вязкость разрушения (трещиностойкость) в пластичных материалах можно выразить формулой = Ос - > где - критическая деформация разрушения, а - критический размер трещины. Таким образом, чтобы повысить вязкость разрушения, материал должен обладать высокой величиной (что подра-



Самосмазывающиеся покрытия

В последние годы значительно повысились требования к оборудованию и инструменту, работающему в условиях контактной усталости и истирания (резка, штамповка, волочение и др.). Для увеличения их сроков службы обычно используются твердые износостойкие покрытия на основе TiC, TiN и TiAlN. При механической обработке всухую защитные покрытия должны обладать стойкостью к высоким температурам, низкой теплопроводностью для защиты подложки от перегрева, химической инертностью и низким коэффициентом трения для легкого удаления стружки из зоны обработки. Для увеличения эффективности и производительности механической обработки материалов на рабочей поверхности оборудования и инструмента создают прочный износостойкий слой, позволяющий увеличить усталостную прочность, коррозионную стойкость и износостойкость. Идеальная твердая смазка должна обладать низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью. Этим требованиям соответствуют халькогениды MoSj, MoScj, WSe2. Их низкий коэффициент трения связан с 21)-слоистой структурой, которая обеспечивает легкое скольжение по базисным плоскостям. Особый интерес вызывают функционально-градиентные покрытия, состоящие из внутреннего твердого слоя, обеспечивающего низкое давление на поверхность со стороны трущейся пары, стойкость к истиранию и царапанью, и внешнего самосмазывающегося слоя, обеспечивающего низкий коэффициент трения. Самосмазывающиеся покрытия нашли широкое применение как в России, так и за рубежом в узлах трения различных космических аппаратов. Низкая стойкость к окислению на воздухе ограничивает применение этих материалов для режущего и обрабатываю-ш;его инструмента. Для преодоления этих трудностей Гисслер с сотруд-

Для оценки свойств пленок часто используют такую характеристику, как продолжительность работы конкретной детали или инструмента с нанесенным на него защитным покрытием. Так, продолжительность работы сверл возрастает соответственно при нанесении на них покрытий TiN, TiCN и TiAlN. Покрытия TiAlN+MoSj также имеют максимальную продолжительность работы при металлообработке в сравнении с Ti(C,N), (Ti,Al)N и TiN+TiAlN. Однако следует отметить, что, хотя продолжительность жизни конкретного покрытия отражает реальное поведение материала в конкретных условиях его эксплуатации, она является интегральной характеристикой, зависящей от многих факторов.

зумевает высокую твердость) и низким модулем упругости. Максимальная твердость будет способствовать увеличению стойкости материала к пластической деформации, но не является определяющим фактором для улучшения вязкости разрушения. Поэтому добиться увеличения износостойкости материала можно путем одновременного увеличения твердости и снижения модуля упругости. Наиболее перспективными покрытиями с точки зрения трибологии являются алмазные покрытия, кубический нитрид бора C-BN, C3N4, а также различные многослойные, многокомпонентные и наноструктурные покрытия.

Первыми коммерчески используемыми твердыми покрытиями бьши TiC и TiN. Их трибологические характеристики во многом зависят от состава, морфологии, текстуры и других характеристик. При введении третьего компонента (например, С или А1) срок службы режущего инструмента возрастал, причем эффективность покрытия на основе Ti(Al,N) бьша тем больше, чем выше бьша скорость резания. Дальнейший прогресс в конструировании трибологических покрытий связан с разработкой новых многокомпонентных (Ti-Al-V-C-N, Ti-W-C-N, Ti-Al-Cr-N и др.), многослойных (TiNiBj, TiCiB2, TiN/VN, TiN/NbN CrN/NbN и др.) и наноструктурных (Ti-B-N, Ti-Si-N, Ti-Si-C-N, Ti-Al-B-N и др.) систем. Так, пленки Ti-Al-B-N хорошо себя зарекомендовали при трении скольжения, тогда как пленки Ti-B-N показали высокую стойкость к ударному износу. Пленки Ti-Al-B-N также имеют низкую скорость износа при проведении испытаний в условиях сухого трения с применением диска и шарика из твердого сплава в качестве контртела, что связывалось с присутствием фазы BN. Вопреки ожиданиям, пленки Ti-B-N и TiN/Zz-BN/TiBj не обладают самосмазывающими свойствами, а износостойкость пленок Ti-B-N, несмотря на их высокую твердость, была сопоставима с пленками TiN и Ti(Al,N). В то же время скорость сухого износа многокомпонентных тонких пленок на основе Ti-B-N, Ti-Si-C-N и Ti-Si-B-N была ниже, чем у пленок-эталонов TiN, Ti-C-N и Ti-Al-C-N, полученных в аналогичных условиях. Отмечалась низкая скорость износа (на порядок величины ниже) пленок TiN и CrN в сравнении с TiAlN и TiCN. Отметим, что в литературе практически отсутствует информация о соотношении между трибологическими характеристиками покрытия и масштабом его микроструктуры. Поэтому представляется крайне важным и интересным исследование наноструктурных тонких пленок, которые могут сочетать в себе высокие механические свойства с возможностью регулировки фазового состава.



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 [ 80 ] 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка